Stellar clustering and outflows in dwarf galaxies

Hislop, Jessica May (2022): Stellar clustering and outflows in dwarf galaxies. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The clustering of star formation and subsequent stellar feedback has a significant impact on regulating star formation by altering the densities and temperatures of the surrounding interstellar medium as well as influencing galactic outflows. Dwarf galaxies, owing to their low masses, are particularly impacted by feedback and are thus an ideal setup for understanding the role of stellar clustering and feedback in galaxy evolution. In this thesis, I explore star cluster formation and galactic outflows in high resolution simulations of isolated dwarf galaxies. I examine the effect of the sub-resolution models of star formation and stellar feedback in order to quantify the impact on the globally averaged properties, the small scales of the interstellar medium and the clustering of stars. I find that the way in which we model star formation heavily impacts the spatial and dynamical properties of the formed star clusters, influencing their future evolution. I also observe how stellar clustering and stellar feedback affect the surrounding interstellar medium, the ambient densities of supernovae and the subsequent impact on galactic scale quantities such as star formation rates and outflows. The simulations presented in this thesis incorporate self-gravity, non-equilibrium heating, cooling and chemistry processes, shielding from a temporally and spatially varying interstellar radiation field and a density and temperature dependent star formation model. With a minimum baryonic particle mass of 4 M⊙ and sub-parsec spatial resolution, we resolve individual massive stars, of which we follow the radiation input from photoionisation and core-collapse supernovae explosions, as well as metal enrichment. Altering the densities at which stars form, which can be controlled by changing the star formation efficiency per free-fall time in the sub-resolution modelling of star formation, is an effective way to significantly change the clustering properties of the stars. Stars form from dense and cold clouds of gas, and allowing a gas cloud to collapse to very high densities before star formation results in highly bound, compact star clusters. Conversely, should the cloud not collapse to such high densities, the resultant star clusters are more diffuse and extended. The size and surface densities of the star clusters have a strong impact on their susceptibility to being disrupted by gas expulsion, stellar feedback effects and tidal interactions. To explore this further, I implement a small randomly orientated velocity kick to the newly formed star particles in order to mimic effects such as unresolved turbulence in star forming gas and dynamical effects from binary interactions. Additionally, I study the impact of photoionisation and supernova feedback. I demonstrate the effect of photoionising feedback and its ability to regulate the densities within star forming regions as well as the ambient densities of the supernovae that explode some millions of years later. Comparing the models with different stellar feedback and stellar clustering allows for disentangling what is responsible for influencing the outflow properties of the galaxy. Changing the stellar feedback implemented fundamentally alters both the densities and the fraction of gas in each phase of the interstellar medium, having a substantial effect on stellar clustering as well as galactic outflows.

Abstract

Die Häufung der Sternentstehung und die draus folgende Rückkoplung hat einen bedeutenden Einfluss auf die Regulierung der Sternentstehung indem sie die Dichten und Temperaturen des umgebenden interstellaren Mediums verändert und Ausströmungen aus der Galaxie beeinflusst. Die Entwicklung von Zwerggalaxien ist wegen ihrer geringen Masse besonders von Rückkopplungseffekten abhängig und eignet sich daher gut, um den Einfluss der Sternhaufenbildung und von Rückkopplungseffekten in der Galaxienentwicklung zu verstehen. In dieser Arbeit untersuche ich die Bildung von Sternhaufen und Ausströmungen aus der Galaxie in hochauflösenden Simulationen von isolierten Zwerggalaxien. Ich untersuche den Einfluss der Parameter der stellaren Rückkopplung und Sternentstehung, welche nicht aufgelöste Physik modellieren, um die Auswirkungen auf galaktisch gemittelte und kleinskalige Eigenschaften des interstellaren Mediums und die Sternhaufenbildung zu quantifizieren. Ich komme zu dem Ergebnis, dass die Details der Modellierung der Sternentstehung einen starken Einfluss auf die räumlichen und dynamischen Eigenschaften der gebildeten Sternhaufen haben und damit ihre zukünftige Entwicklung beeinflussen. Ich untersuche auch, wie sich die Sternhaufenbildung und die stellaren Rückkopplungen auf das umgebende interstellare Medium und die Umgebungsdichten von Supernovae auswirken, sowie die daraus resultierenden Auswirkungen auf galaktische Eigenschaften wie Sternentstehungsraten und Ausströmungen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Simulationen beinhalten die Effekte der Eigengravitation, Nichtgleichgewichtsheizung und -kühlung, chemische Prozesse, die Abschirmung vom zeitlich und räumlich variierenden interstellaren Strahlungsfeld sowie ein dichte- und temperaturabhängiges Sternentstehungsmodell. Mit einer minimalen baryonischen Teilchenmasse von 4 M⊙ und einer räumlichen Auflösung von unter einem Parsec werden einzelne massereiche Sterne aufgelöst, deren individueller Strahlungsbeitrag durch Photoionisation berücksichtigt wird und deren Kernkollaps-Supernovae sowie Metallanreicherung modelliert wird. Die Änderung der Dichten, bei denen Sterne entstehen, kann durch die Änderung des Parameters für die Sternentstehungseffizienz pro Freifallzeit des Sternentstehungsmodels variert werden und ist ein effektiver Weg, um die Haufenbildungseigenschaften der Sterne signifikant zu verändern. Sterne bilden sich aus dichten, kalten Gaswolken und wenn eine Gaswolke vor der Sternentstehung auf eine sehr hohe Dichte kollabieren kann, führt dies zu stark gebundenen, kompakten Sternhaufen. Umgekehrt sind die entstehenden Sternhaufen diffuser und ausgedehnter, wenn die Wolke zu weniger hohen Dichten kollabiert. Die Größe und Oberflächendichte der Sternhaufen hat einen starken Einfluss auf ihre Anfälligkeit für Störungen durch den Ausstoß von Gas, stellare Rückkopplungseffekte und Gezeitenwechselwirkungen. Um Effekte wie unaufgelöste Turbulenzen im Sterne formenden Gas und dynamische Effekte aus Zweikörper Wechselwirkungen zu modellieren, erhalten neu entstehende Sternteilchen einen kleinen Geschwindigkeitsstoß in eine zufällige Richtung. Außerdem untersuche ich die Auswirkungen der Photoionisation und der Supernova- Rückkopplung. Ich zeige, dass Photoionisation die Dichten in den Sternentstehungsgebieten sowie die Umgebungsdichten der Supernovae, die einige Millionen Jahre später explodieren, reguliert. Durch den Vergleich der Modelle mit unterschiedlicher stellarer Rückkopplung und Sternhaufeneigenschaften ist es möglich zu unterscheiden, was für die Beeinflussung der Ausströmungen aus der Galaxie maßgeblich ist. Eine Änderung der stellaren Rückkopplung führt zu einer grundlegenden Veränderung sowohl der Dichten als auch des Anteils des Gases in jeder Phase des interstellaren Mediums und hat einen erheblichen Einfluss auf die Sternhaufenbildung und die Ausströmungen aus der Galaxie.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Dwarf Galaxies, Hydrodynamical Simulations, Star Clusters, Stellar Feedback, Galactic Outflows
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 21. Oktober 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Springel, Volker