Merging, fragmentation and collapse of interstellar filaments

Hoemann, Elena (2023): Merging, fragmentation and collapse of interstellar filaments. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Sterne haben die Menschen schon seit jeher fasziniert und Beobachtungen zeigten bereits vor Jahrzehnten, dass leichte Sterne filamentartigen Strukturen entspringen. Dennoch ist der Entstehungsprozess dieser Filamente sowie deren Entwicklung und Fragmentierung in einzelne Kerne bislang nicht hinreichend verstanden. Wie ich in der vorliegenden Arbeit, die neue Erkenntnisse zur Dynamik, Fragmentierung und zum Kollaps von Filamenten ermöglicht, zeige, spielt das Aufstellen, Verstehen und Vergleichen von Zeitskalen hierbei eine wesentliche Rolle. Von zentraler Bedeutung hierbei ist die Zeitskala, auf der Filamente kollabieren, denn diese bestimmt ihre Lebensdauer und somit den zeitlichen Rahmen in dem physikalische Prozesse innerhalb des Filaments ablaufen können. Da es keine hydrostatische Lösung entlang der Hauptachse eines Filaments gibt, sind diese nicht stabil. Aus theoretischer Sicht müssen somit alle Filamente einem longitudinalen Kollaps unterliegen, wobei sich durch das Profil der Beschleunigung eine Verdichtung an jedem Ende des Filaments bildet. Dies ist der sogenannte „Edge Effect“. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der Filament-Kollaps in einem zweistufigen Prozess abläuft. Die erste Phase ist dominiert durch Eigengravitation, die zu einem beschleunigten Kollaps führt. In der zweiten Phase erfährt die Verdichtung am Ende des Filaments einen Staudruck durch das Material im Inneren des Filaments, was zu einer gleichförmigen Bewegung führt. Ausgehend von diesen Erkenntnissen lässt sich der Kollaps analytisch beschreiben und eine Kollapszeit berechnen, welche mit empirischen Betrachtungen übereinstimmt. Unsere Studien zeigen, dass die Zeitskala, auf denen Filamente kollabieren, und somit auch der Edge Effect stark vom Dichtegradienten in der Endregion abhängt. Auch wenn er den Kollaps nicht aufhalten kann, so kann er diesen verlangsamen. Wird der Kollaps hinreichend verlangsamt, können Störungen schneller anwachsen, was zur Fragmentation entlang des Filaments führt. Das erklärt, weshalb der Edge Effect seltener beobachtet wird, als bisher theoretisch erwartet. Auf Basis unserer Ergebnisse ist zu erwarten, dass die meisten Filamente Dichtegradienten am Ende besitzen, die größer sind als der kritische Gradient, bei dem der Edge Effect und das Anwachsen der Störungen gleich schnell sind. Eine Verlangsamung des Filament Kollaps ermöglicht den Ablauf von Prozessen, welche auf ähnlichen Zeitskalen stattfinden, wie zum Beispiel das Verschmelzen von Filamenten. Ich zeige in dieser Arbeit, dass es ohne die Verlangsamung des Kollapses bestimmte Rahmenbedingungen braucht, unter denen eine Verschmelzung überhaupt möglich ist. Die notwendigen Grenzwerte verschieben sich durch die Verlangsamung und machen eine Verschmelzung deutlich wahrscheinlicher. Durch die Verschmelzung unterliegen Filamente einer langanhaltenden Oszillation, die auch in der Geschwindigkeitsdispersion und der Säulendichte beobachtbar ist. In beispielhaften Filamenten der Orion-Region haben wir Hinweise auf ähnliche Strukturen gefunden. Schlussendlich gebe ich noch einen Ausblick, wie maschinelles Lernen Simulationen von Filamenten beschleunigen kann. Wir haben ein Netzwerk entwickelt, das die Abschwächungskoeffizienten von interstellarer ultravioletter Strahlung bei bekannter Dichteverteilung bestimmt, was rechnerisch deutlich effizienter ist als herkömmliche Methoden. Große Strukturen werden gut reproduziert, jedoch ist die Reproduktion von kleinen und dichten Strukturen noch nicht hinreichend akkurat.

Abstract

Stars have always fascinated people and already decades ago observations showed that low-mass stars originate from filamentary structures. Nevertheless, the formation process of these filaments, as well as their evolution and fragmentation into individual cores, is not yet sufficiently understood. As I will show in this thesis, which provides new insights into the dynamics, fragmentation and collapse of filaments, determining, understanding and comparing timescales plays a crucial role, in this regard. The timescale on which filaments collapse is of key importance because it determines their lifetime and therefore the timeframe in which physical processes can take place within the filament. Since there is no hydrostatic solution, filaments are not stable along their main axis. From a theoretical point of view, all filaments must therefore collapse in longitudinal direction with a compression forming at each end of the filament due to the profile of the acceleration. This is the so-called ‘edge effect’. The present thesis demonstrates that the filament collapse is a two-phase process. The first phase is dominated by the self-gravity of the filament, leading to an accelerated collapse. In the second phase, the condensations at the end of the filament experience the ram pressure of the material inside the filament, leading to a uniform movement. With these findings, the collapse can be described analytically and a collapse timescale can be determined which agrees well with empirical results. Our studies show that the timescale on which filaments collapse, and therefore also the edge effect, strongly depends on the density gradient in the end region. Although a density gradient cannot stop the edge effect, it can slow it down. If the slow-down is sufficiently large, perturbations can grow faster than the edge, leading to fragmentation along the filament. This explains why the edge effect is observed less than theoretically expected. Our results suggest that most of the filaments are required to have density gradients shallower than the critical gradient, for which the edge effect and the perturbations grow on the same timescale. The slow down of the filament collapse allows processes to occur that happen on similar timescales as, for example, filament mergers. In this work, I show that without slowing down the collapse, special initial conditions have to be met in order to make filament mergers possible. The necessary thresholds are shifted due to the slow-down, making a filament merger much more probable. The merger induces long-lived oscillations which can be observed in velocity dispersion and column density. We found evidence of similar signatures in exemplary filaments in the Orion region. Finally, I will give an outlook on how machine learning can speed up simulations of filaments. We developed a network that predicts attenuation coefficients of interstellar ultraviolet radiation given a certain density distribution and which is computationally much more efficient than traditional methods. The overall structure is well reproduced, whereas the determination of small and dense features needs further improvement.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 16. Oktober 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Burkert, Andreas