Ionization and triggered star formation in turbulent molecular clouds [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Matthias Gritschneder
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Publié le
01 janvier 2009
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7
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English
Poids de l'ouvrage
24 Mo
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Ionization and Triggered Star
Formation
in Turbulent Molecular Clouds
Matthias Gritschneder
Mu¨nchen 2009Ionization and Triggered Star
Formation
in Turbulent Molecular Clouds
Matthias Gritschneder
Dissertation
an der Fakulta¨t fu¨r Physik
der Ludwig–Maximilians–Universita¨t
Mu¨nchen
vorgelegt von
Matthias Gritschneder
geb. am 07. August 1978 in Mu¨nchen
Mu¨nchen, den 11.05.2009Erstgutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert
Zweitgutachter: Prof. Dr. Harald Lesch
Tag der mundl¨ ichen Pruf¨ ung: 25.06.2009Contents
Zusammenfassung xi
1 Introduction 1
1.1 Properties of Molecular Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 The Feedback of Massive Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Theoretical Background 9
2.1 Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Mean Free Path and Relaxation Timescales . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 The Fluid Dynamic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3 Fully Developed Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Radiative Transfer and Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 The Radiative Transfer Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 Ionization of a Static Cloud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Evolution of an HII region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 The Stro¨mgren-Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Jump Conditions for Ionization Fronts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3 Expansion of an HII region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Physical Timescales, Heating and Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Numerical Implementation 29
3.1 The Method SPH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 Basic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.2 Time Stepping and Tree Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Implementation of Ionizing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1 Casting of Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 Calculation of the Ionization Degree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.3 Equation of State and Modification of the Time-step Criterion . . . . . . 38
4 iVINE - Ionization in the parallel tree/SPH code VINE 39
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Numerical Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.1 Prescription of Ionizing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41vi Table of Contents
4.2.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.3 Modification of the Time-step Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Numerical Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.1 Ionization without Hydrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.2 Ionization with Hydrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.3 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4 Radiation Driven Implosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.1 Dynamical Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.2 Structure, Collapse Timescales and Final Mass Assembled . . . . . . . . 55
4.5 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5 Driving Turbulence and Triggering Star Formation by Ionizing Radiation 61
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.1 Morphology and Formation of Cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.2 Turbulent Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6 Detailed Numerical Simulations on the Formation of Pillars around HII regions 71
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 Basic Approach and Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2.1 Ionizing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2.2 Numerical Method and First Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2.3 Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.3 Results of the Parameter Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3.1 General Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3.2 Resolution and Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3.3 Temperature and Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3.4 Initial Flux and Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3.5 Turbulent Mach Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3.6 Turbulent Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3.7 Star Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4 Comparison to Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4.1 General Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4.2 Velocity Field of a Singular Pillar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7 Conclusions and Outlook 95
Acknowledgments / Danksagung 105
Curriculum Vitae 107List of Figures
1.1 The pillars of creation in the Eagle Nebula (M16) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Molecular clouds - dark and illuminated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The many colors of the Eagle Nebula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Morphology and star formation in M16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 The detailed structure of M16 and the complex feedback of Orion . . . . . . . . 6
2.1 Energy-level diagram of HI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 Schematic depiction of the sorting of the particles into the rays . . . . . . . . . . 35
4.1 Time evolution of the ionization degree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Ionization degree and neutral gas fraction = 1− versus position . . . . . . 47
4.3 Position of the ionization front versus time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4 Effect of the refinement on a diagonal density step . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5 Number density versus position for the steady propagation of an ionizing front . . 52
4.6 Time evolution of the driven collapse of a Bonnor-Ebert sphere . . . . . . . . . . 56
4.7 Final stage of the three simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.8 Maximum number density versus time for the three simulations . . . . . . . . . . 59
5.1 Evolution of the turbulent ISM under the influence of UV-radiation . . . . . . . . 64
5.2 Evolution of the density weighted power spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.1 Front position versus time for the three test simulations with a different flux . . . 76
6.2 Surface density of all simulations of the comparison study . . . . . . . . . . . . 79
6.3 Change of the mean density in the hot gas versus time . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.4 Projected surface density along the x-axis for two simulations . . . . . . . . . . . 85
6.5 Surface density of the most prominent structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.6 The pillars of creation in M16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.7 Line-of-sight velocities for the z-component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
+6.8 Map of HCO profiles over the Dancing Queen Trunk . . . . . . . . . . . . . . 90
6.9 Line-of-sight velocities for the y-component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.10 Velocity field in the y-z plane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
hhchviii List of FiguresList of Tables
4.1 Comparison of analytical and numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.1 Listing of the different initial conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2 Results of the parameter study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 Listing of the proto-stellar cores forming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86x List of Tables
