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The real structure of the heavens
a study of filaments in a complex environment
Andrea Socci
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.80043
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25686.01480.565856-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Im Jahr 1907 bemerkte Barnard auffällige dunkle Streifen in der Nähe heller Nebel im Sternbild Stier. Obwohl die Natur dieser dunklen Strukturen damals noch unklar war, äußerte er die Vermutung, dass der Zusammenhang zwischen Nebulositäten und Leerräumen eines Tages grundlegend für das Verständnis der „wahren Struktur des Himmels“ sein würde. über ein Jahrhundert später wurden diese dunklen Streifen als Filamente aus Staub und Gas identifiziert. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ganzheitlichen Blick auf die Struktur von Filamenten, ihre Verbindung zur Sternentstehung sowie den Einfluss der Umgebung auf sie zu werfen. Vor fünfzehn Jahren zeigte das Herschel-Weltraumteleskop, dass Filamente das interstellare Medium der Milchstraße durchziehen und eine zentrale Rolle bei der Sternentstehung spielen. Bemerkenswerterweise weisen diese Filamente über die gesamte Galaxie hinweg eine nahezu konstante radiale Breite auf, was auf einheitliche Anfangsbedingungen für die Sternentstehung hindeutet. Diese Annahme wurde jedoch in den letzten zehn Jahren durch neue hochauflösende Beobachtungen infrage gestellt, die Zweifel an der tatsächlichen Struktur der Filamente aufkommen ließen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das Vorhandensein einer typischen Filamentbreite untersucht, deren mögliche Variation in unterschiedlichen Regionen sowie die physikalischen Eigenschaften, die diese Variation verursachen könnten. Die Analyse basiert auf einer homogenen Stichprobe von Regionen im Orion, die alle mit dem Interferometer ALMA in hoher Auflösung beobachtet wurden. Die im Rahmen der EMERGE Early ALMA Survey identifizierten Filamente bilden eine Substruktur innerhalb dieser Regionen, die deren gesamte Masse an dichtem Gas umfasst. Die massereichsten unter diesen Filamenten entstehen möglicherweise durch das Zusammenführen mehrerer Strukturen und tragen maßgeblich zur Sternentstehung in ihren jeweiligen Regionen bei. Die gemessenen Breiten dieser Filamente zeigen eine systematische Variation zwischen den Regionen, die durch deren Dichte beeinflusst wird und zusätzlich durch den von außen wirkenden Druck moduliert wird. Die Umgebung kann nicht nur äußeren Druck auf Filamente ausüben, sondern auch das dichte Gas in ihrem Inneren beeinflussen. Kosmische Strahlung ist die einzige externe Strahlung, die energiereich genug ist, um in diese dichten Bereiche einzudringen und dort die chemische Evolution, die interne Erwärmung sowie das energetische Gleichgewicht zu steuern. Ursprünglich als homogen über die Galaxie verteilt angenommen, wurde die Ionisationsrate durch kosmische Strahlung in den letzten 30 Jahren mehrfach revidiert. Die Faktoren, die ihren Wert beeinflussen, sowie ihre Auswirkungen auf die Sternentstehung sind bis heute Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der durch kosmische Strahlung verursachte Ionisationsprozess in zwei dichten Filamenten untersucht. Die Ionisationsrate hängt von der Gasdichte innerhalb der Filamente ab und ist an aktiven Sternentstehungsorten erhöht. Im Mittel unterscheidet sich die Ionisationsrate jedoch zwischen den beiden Filamenten, was auf einen zusätzlichen Einfluss durch Magnetfelder hindeutet. In einem der Filamente scheint das Magnetfeld das Eindringen der kosmischen Strahlung zu hemmen, wodurch lokale Bereiche mit geringer Ionisation entstehen. In diesen Bereichen dominiert vermutlich die Gravitation, was zu einer ungleichmäßigen strukturellen Entwicklung des Filaments führen kann. Die zentrale Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass Filamente keine isolierten Strukturen sind, sondern in eine komplexe interstellare Umgebung eingebettet sind. Ihre Breite – und generell ihre Struktur – ist nicht stetig, sondern wird dauerhaft durch äußere Einflüsse geprägt. Ein umfassendes Verständnis der Filamententwicklung und ihres Einflusses auf die Sternentstehung erfordert es daher, diese Umweltfaktoren zu berücksichtigen und gezielt zu untersuchen. Diese Arbeit stellt einen ersten Schritt in diese Richtung dar und soll zu einem tieferen Verständnis der „wahren Struktur des Himmels“ beitragen.
Abstract
(Englisch)
Barnard noted in 1907 remarkable dark lanes neighbouring the bright nebulae in the Taurus constellation. Still undecided on the nature of these dark lanes, he nevertheless claimed that the the connection between nebulosities and vacancies would one day be fundamental in explaining 'the real structure of the heavens'. For over a century, these dark lanes have been studied and identified as filaments of dust and gas. The thesis aims therefore to provide an holistic view on the structure of filaments, their connection to star formation, and the impact of the environment onto them. 15 years ago, the Herschel Space Observatory revealed that filaments permeate the interstellar medium in our Milky Way and drive the formation of stars. Filaments retain however a surprisingly constant radial extent across the Galaxy, thus implying common initial conditions for star formation. This claim was challenged in the past decade with new high-resolution observations, posing into question what is the real structure of filaments. The origin and consequences of having a constant width for filaments still remain debated at present times. The first part of the thesis investigates the presence of a typical width for filaments, its potential variation across different regions, and the physical properties that may cause this variation. This first part thus describes the analysis on an homogeneous sample of regions in Orion, all surveyed at high-resolution with the interferometer ALMA. The filaments identified in this EMERGE Early ALMA Survey constitute a sub-texture to the regions studied that comprises their whole dense gas mass. The most massive among these filaments possibly result from the merging of multiple structures and provide a prominent contribution to the star formation of their host region. Finally, the widths measured for these filaments show a systematic variation across regions, driven by their densities and influences further by the external pressure acting on them. The environment may exert an external pressure on filaments, but it may influence the dense gas composing their internal structure as well. Cosmic rays are the only external radiation energetic enough to penetrate and interact with this dense gas driving the chemical evolution, internal heating, and energy balance within filaments. First recognised as homogeneous across the Galaxy, the cosmic-ray ionisation rate has seen multiple revisions throughout the last 30 years. The influences on its value and its impact on star formation across the Galaxy are still questioned to date. The second part of the thesis investigates the ionisation process operated by cosmic rays towards two dense filaments. The cosmic-ray ionisation rate depends on the gas density within both filaments and is enhanced towards the active sites of star formation. The average value of this rate is different, however, across the two regions studied, suggesting the further influence of the magnetic field. The latter impedes the propagation of the cosmic rays throughout one of the filaments reducing the degree of ionisation locally and potentially leading to an uneven evolution of the filamentary structure. The main take away from this thesis is that filaments are not isolated, but exist within in a complex interstellar ecology. Their width, and structure in general, is not immutable but instead permanently affected by external influences. Our full understanding of the filament evolution and impact on star formation thus requires an effort in first embracing, and then probing the various components of this complex picture. This thesis is a first step in such direction which, I believe, will provide us with a more comprehensive understanding of 'the real structure of the heavens'.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Astrophysik ALMA Interferometer Sternentstehung Astrochemie
Schlagwörter
(Englisch)
Astrophysics ALMA Interferometer Star Formation Astrochemistry
Autor*innen
Andrea Socci 
Haupttitel (Englisch)
The real structure of the heavens
Hauptuntertitel (Englisch)
a study of filaments in a complex environment
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xiv, 209 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Jouni Kainulainen ,
Daniele Galli
AC Nummer
AC17751467
Utheses ID
78306
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 413 |