German Title: Wechselseitige Auswirkungen von Strahlungsfeld und kosmischer Strahlung auf das neutrale und molekulare interstellare Medium

Preview

PDF, English Download (18MB) | Terms of use

Abstract

The photoelectric effect on dust grains is considered to be the dominant heating mechanism for the gas in the neutral and molecular interstellar medium. I investigate the effects of radiation fields with different intensities and colours on the photoelectric heating rate, and show that the near ultraviolet photons and optical photons has a significant contribution to the photoelectric heating rate in radiation fields in highly obscured regions in the interstellar medium. A new, self-consistent thermal and chemical model for the neutral and molecular interstellar medium is presented, and the mutual effects of radiation fields and cosmic rays on the thermal balance and chemistry of the gas are investigated. Including only the principle heating and cooling channels and the most observationally significant emission lines (e.g. CO pure rotational lines), the analytical approximations employed in the model makes it computationally fast and ideal to be incorporated into large-scale radiative transfer models for the propagation of starlight in galaxies. In addition, I show that the free electrons produced by cosmic ray ionisation of the interstellar gas particles lower the photoemission threshold of dust grains, thus boosting the photoelectric heating rate indirectly. Together with a simple semi-analytic spherical cloud model, the chemical model is applied to model the CO line emission in passive clouds in the nearby spiral galaxy NGC 628. The predicted CO line brightness is higher than the observed brightness by a factor of a few, and possible explanations for this overprediction are presented.

Translation of abstract (German)

Der photoelektrische Effekt auf Staubkörner wird als der dominierende Heizmechanismus für das Gas im neutralen und molekularen interstellaren Medium angesehen. Ich untersuche die Auswirkungen von Strahlungsfeldern unterschiedlicher Intensität und Farbe auf die photoelektrische Heizrate und zeige, dass die nahen ultravioletten Photonen und optischen Photonen einen signifikanten Beitrag zur photoelektrischen Heizrate in Strahlungsfeldern in stark verdunkelten Regionen im interstellaren Medium leisten. Ein neues, selbstkonsistentes thermisches und chemisches Modell für das neutrale und molekulare interstellare Medium wird vorgestellt, und die gegenseitigen Auswirkungen von Strahlungsfeldern und kosmischer Strahlung auf den Wärmehaushalt und die Chemie des Gases werden untersucht. Da das Modell nur die wichtigsten Heiz- und Kühlkanäle und die wichtigsten Emissionslinien (z. B. reine CO-Rotationslinien) enthält, ist es dank der analytischen Näherungen, die in dem Modell verwendet werden, rechnerisch schnell und ideal für die Einbeziehung in großmaßstäbliche Strahlungstransportmodelle für die Ausbreitung von Sternenlicht in Galaxien. Darüber hinaus zeige ich, dass die freien Elektronen, die durch die Ionisierung der interstellaren Gasteilchen durch die kosmische Strahlung erzeugt werden, die Photoemissionsschwelle der Staubkörner herabsetzen und damit indirekt die photoelektrische Heizrate erhöhen. Zusammen mit einem einfachen semi-analytischen sphärischen Wolkenmodell wird das chemische Modell angewandt, um die CO-Linienemission in passiven Wolken in der nahen Spiralgalaxie NGC 628 zu modellieren. Die vorhergesagte Helligkeit der CO-Linie ist um einen Faktor höher als die beobachtete Helligkeit, und es werden mögliche Erklärungen für diese Übervorhersage vorgestellt.