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An ALMA view of the ISM's filamentary structure and its turbulent origin
Francesca Bonanomi
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Astronomie
Betreuer*in
Alvaro Hacar Gonzalez
DOI
10.25365/thesis.79666
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30780.92080.690332-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Filamente durchziehen die interstellare Materie (ISM) auf allen Skalen und sind in einem hierarchischen Netzwerk organisiert, das die Lücke zwischen Molekülwolken und Kernen überbrückt. Wie diese Filamente entstehen und sich entwickeln, ist noch unklar. Turbulenzen spielen dabei eine Schlüsselrolle, da sie auf natürliche Weise eine interne Hierarchie von Strukturen erzeugen. Am unteren Ende der Turbulenz-Hierarchie konnten hochauflösende Beobachtungen einzelne Filamente auf Skalen von wenigen pc in einer Vielzahl von Subfilamenten, den sogenannten Fasern, auflösen. Sie gelten als die ersten subsonischen Strukturen, die in turbulenten Molekülwolken entstehen. Fasern müssen sich daher auf Skalen bilden, auf denen diese turbulenten Bewegungen dissipiert werden. Ziel dieser Arbeit ist es, die Umgebung zu charakterisieren, in der sich die Fasern gebildet haben, und zu untersuchen, wie die Turbulenzdissipation erfolgt. Da dieses Phänomen auf kleinen Skalen intermittierend und zeitlich und räumlich unregelmäßig auftritt, ist seine Untersuchung anspruchsvoll und erfordert eine große Anzahl hochauflösender Beobachtungen mit hoher Empfindlichkeit. Interferometer ermöglichen die Auflösung der Filamentstruktur in Molekülwolken in Entfernung von mehreren kpc. Ihre Beobachtungen werden jedoch stark durch intrinsische räumliche Filterung und einen Mangel an Informationen auf großen Skalen beeinträchtigt. Die Kombination interferometrischer Beobachtungen mit zusätzlichen Daten, die Skalen mit “kurzen Abstanden” liefern, ist entscheidend, um die wahre Himmelsemission wiederherzustellen. Die EMERGE Early ALMA-Suvey beobachtete sieben prototypische Regionen im Orion mit ALMA+IRAM-30m und loste die Struktur de Gases bis auf ∼2000 au. Das erste Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung des Einflusses der räumlichen Filterung auf ALMA-Beobachtungen. Dazu wurden verschiedene Techniken untersucht, die Daten zum kombinieren, um eine Kombinationsroutine für die EMERGE-Beobachtungen zu entwickeln. Rein interferometrische Beobachtungen reproduzieren nicht die wahren Eigenschaften von Kernen und Filamenten und erfassen daher schmalere und schwächere Objekte. Ich habe verschiedene Datenkombinationsverfahren getestet und mich für die MACF-Methode entschieden, um die ALMA 12m+IRAM-30-Daten in der EMERGE Early ALMA-Umfrage zu kombinieren. Ich untersuchte die Qualität der ACA-7m-Beobachtungen, da das ALMA-Array aufgrund seiner begrenzten Anzahl an Antennen starker beeinträchtigt war. Der Ursprung dieser Defekte liegt in der stark asymmetrischen und inhomogenen UV-Abdeckung. Ich testete einen neuen Algorithmus zur Qualitätsbewertung der ACA-7m-Sichtbarkeiten und untersuchte eine effizientere Planung und Offline-Strahlumformungsroutine, um die Datenqualität ohne Datenkombination zu verbessern. Nachdem die Qualität der Daten die Wiederherstellung der tatsächlichen Substruktur des Gases ermöglicht hatte, konzentrierte ich mich auf die Charakterisierung der Umgebung, in der sich dichte Fasern bildeten, und untersuchte das diffuse HNC (1-0)-Gas in der EMERGE-Probe. Ich analysierte die Kinematik des diffusen Gases, um die Rolle der Turbulenz bei der Bildung und Entwicklung von Fasern zu verstehen. Das diffuse Gas ist insgesamt turbulenter als die dichten Strukturen, wobei auf Faserskalen ein Übergang zur Kohärenz stattfindet. Ich habe außerdem Bereiche mit signifikanten Unterschieden und verstärkter Turbulenzdissipation in unmittelbarer Nahe vieler dieser dichten Fasern identifiziert. Dies stimmt mit der Turbulenzdissipation wahrend der Faserbildung überein. Zukünftige Arbeiten werden unser Wissen über intermittierende Regionen erweitern, um deren Verhalten und Auswirkungen auf Filamente zu charakterisieren. Weitere Studien zur Qualität interferometrischer Bilder sind erforderlich, um verschiedene wissenschaftliche Fälle und Beobachtungsaufbauten zu untersuchen und die Qualität der Daten und der daraus gewonnenen wissenschaftlichen Ergebnisse sicherzustellen.
Abstract
(Englisch)
Filaments permeate the interstellar medium (ISM) at all scales in a hierarchical network, bridging the gap between molecular clouds and cores. How these filaments form and evolve is still under debate. Turbulence is a key player in this scenario, naturally creating an internal hierarchy of structures. At the bottom of the turbulent cascade, high resolution observations resolved single pc-scale filaments in a plethora of sub-filaments known as fibers. They are identified as the first subsonic structures formed within turbulent molecular clouds. Thus, fibers must form at scales where these turbulent motions are dissipated. The aim of this work is to characterise the environment in which fibers formed and how turbulence dissipation occurs. Since this phenomenon is intermittent at small scales, i.e. irregular in time and space, its study is challenging and requires a large sample of high resolution and sensitivity observations. Interferometers allow to resolve the filamentary structure in molecular clouds at kpc distance. However, their observations are severely affected by intrinsic spatial filtering and lack of information at large scales. The combination of interferometric observations with additional data providing "short spacing" scales is pivotal to recover the true sky emission. The EMERGE Early ALMA survey observed seven prototypical regions in Orion with ALMA+IRAM-30m, resolving the gas structure down to ∼2000 au. The first goal of this work is to quantify the impact of spatial filtering on ALMA observations and explore several data combination techniques to develop a combination routine for the EMERGE maps. Interferometric-only observations do not reproduce the true properties of cores and filaments, recovering narrower and fainter objects. I tested different data combination procedures and selected the MACF method to combine the ALMA 12m+IRAM-30 data in the EMERGE Early ALMA survey. I further explored the quality of the ACA-7m observations, the ALMA array most severely affected by filtering due to its limited number of antennas. The origin of these defects is traced back to its uv-coverage, highly non-symmetric and non-homogeneous. I tested a new quality assessment algorithm on the ACA-7m visibilities and explored a more efficient scheduling and an offline beam re-shaping routine to improve the quality of the data before data combination. Once ensuring the quality of the data allows to recover the true substructure of the gas, I focused on characterising the environment where dense fibers formed, studying the HNC (1-0) diffuse gas in the EMERGE sample. I analysed the kinematics of the diffuse gas to understand the role of turbulence in the formation and evolution of fibers. The diffuse gas is overall more turbulent than the dense structures, with a transition to coherence occurring at fiber scales. I also identified high-shear regions of enhanced turbulence dissipation located in close proximity to many of those dense fibers, in agreement with turbulence being dissipated during the formation of fibers. Future work will allow to improve our knowledge on intermittent regions, necessary to characterise their behaviour and impact on filaments. Further studies on the quality of interferometric images are required to explore different science cases and observational setup, to ensure the quality of the data and scientific results extracted from them.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
ALMA ISM interferometry Filaments Turbulence Fibers Data combination Fiber origin Turbulence dissipation
Schlagwörter
(Englisch)
ALMA interferometry ISM Filaments Turbulence Turbulence dissipation Fibers Fiber origins Data combination
Autor*innen
Francesca Bonanomi 
Haupttitel (Englisch)
An ALMA view of the ISM's filamentary structure and its turbulent origin
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xi, 151 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Adam Ginsburg ,
Jerome Pety
Klassifikation
39 Astronomie > 39.13 Radioastronomie
AC Nummer
AC17717122
Utheses ID
78002
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 413 |