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Modeling the neutral phases of the interstellar medium in galaxy simulations
Moa Hulda Karoline Huppenkothen
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Astronomy
Betreuer*in
Sylvia Plöckinger
DOI
10.25365/thesis.80791
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25743.97677.848617-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Verteilung des thermischen Drucks im interstellaren Medium ist empfindlich gegenüber lokalen Eigenschaften wie dem interstellaren Strahlungsfeld, der Metallizität und der Staubzusammensetzung. Aktuelle kosmologische Simulationen ermöglichen es, die thermische Druckverteilung des interstellaren Mediums in großen Galaxienpopulationen zu untersuchen. Diese Arbeit verwendet das HYBRID-CHIMES-Modell (Ploeckinger and Schaye, 2020; Ploeckinger et al., 2025), das das interstellare Strahlungsfeld, die kosmische Strahlungsrate und die Abschirmungssäulendichte parametrisiert und die entsprechenden Erwärmungs- und Abkühlungsraten sowie die Spezieshäufigkeiten für einen Bereich von Dichten, Temperaturen, Metallizitäten und Rotverschiebungen unter Verwendung des netzwerks CHIMES (Richings et al., 2014a,b) vorab tabelliert. Das chemische Reaktionsnetzwerk wird in hydrodynamischen Simulationen isolierter Galaxien im chemischen Gleichgewicht und in kosmologischen Boxen des COLIBRE Projekts (Schaye et al., 2025; Chaikin et al., 2025a) verwendet, wo die Häufigkeiten von Wasserstoff- und Heliumspezies (und damit die Nettokühlungsraten) im Nichtgleichgewicht berechnet werden und die Chemie mit einem Live-Staubmodell gekoppelt ist. Die Variation der lokalen Parameter innerhalb der chimes-Gleichgewichtsmodelle, in Simulationen von isolierten Galaxien, bestätigt, dass ein höheres interstellares Strahlungsfeld und eine höhere kosmische Strahlungsrate zu höheren thermischen Drücken führen, während eine Erhöhung der Abschirmungssäulendichte diese senkt. Vier Galaxien mit solarer Metallizität in einem kosmologischen Volumen innerhalb der COLIBRE-Suite zeigen eine klare bimodale Druckverteilung, bei der das warme und das kalte neutrale Medium in einem Mehrphasenbereich zwischen log P/kB [K cm−3 ] ≈ 2.0 und 3.0 koexistieren. Der Druck und die Metallizität in diesen Galaxien nehmen mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der Galaxie ab. Eine Analyse von Galaxienproben mit abnehmender Metallizität in COLIBRE-Simulationen zeigt eine leichte Verschiebung des Mehrphasenbereichs zu höheren thermischen Drücken für Metallizitäten von solaren bis zu sub-solaren Werten. Die phasengetrennten Verteilungen zeigen, dass die Verschiebung der thermischen Drücke in der kalten Phase größer ist. Ein Vergleich einer Simulation mit Wasserstoff-, Helium- und Sauerstoffspezieshäufigkeiten, die im Nichtgleichgewicht berechnet wurden, mit der Standardkonfiguration von COLIBRE zeigt, dass die Einbeziehung von Sauerstoff nur einen minimalen Einfluss auf den thermischen Druck hat. Die thermischen Drücke des Mehrphasenbereichs sind in einem Variationsmodell mit einem zehnmal höheren interstellaren Strahlungsfeld und einer niedrigeren kosmischen Strahlungsrate etwas höher.
Abstract
(Englisch)
The distribution of thermal pressures is sensitive to local properties, such as the interstellar radiation field, metallicity, and dust composition. Recent high-resolution cosmological simulations make it possible to study the thermal pressure distribution of the interstellar medium in large galaxy populations. Accurately modeling the multi-phase interstellar medium in large-scale cosmological simulations requires approximations that can capture the complex physics, while balancing computational cost. This thesis uses the HYBRID-CHIMES model (Ploeckinger and Schaye, 2020; Ploeckinger et al., 2025), which parametrizes the interstellar radiation field, cosmic ray rate, and shielding column density and pre-tabulates the corresponding heating and cooling rates as well as the species abundances for a range of densities, temperatures, metallicities, and redshift using the non-equilibrium network CHIMES (Richings et al., 2014a,b). The chemical reaction network is used in hydrodynamical simulations of isolated galaxies in chemical equilibrium and cosmological volumes of the COLIBRE suite of simulations (Schaye et al., 2025; Chaikin et al., 2025a), where the hydrogen and helium species abundances (and therefore net cooling rates) are evaluated in non-equilibrium and chemistry is coupled to a live dust model. Varying the local parameters within chimes equilibrium models, applied in isolated galaxy simulations, confirms that a higher interstellar radiation field and cosmic ray rate result in higher thermal pressures, while increasing the shielding column density lowers them. Four example galaxies with solar metallicity in a cosmological volume within the COLIBRE suite show a clear bimodal pressure distribution, where the warm and cold neutral medium co-exist in a multi-phase region between log P/kB [K cm−3 ] ≈ 2.0 and 3.0. The pressure and metallicity in these galaxies decreases with increasing distance from the center. The atomic hydrogen mass is predominantly found in the cold neutral medium in the inner regions and shifts to the warm phase in the outer regions. An analysis of galaxy samples with decreasing metallicity in COLIBRE simulations reveals a slight shift of the multi-phase region to higher thermal pressures for metallicities from solar to sub-solar values. The phase separated distributions show that the shift in thermal pressures is larger in the cold phase. Comparing a simulation with hydrogen, helium and oxygen species abundances calculated in non-equilibrium to the standard COLIBRE setup shows that including oxygen has a minimal effect on the thermal pressure. The thermal pressures of the multi-phase region are slightly higher in a variational model with a ten times higher interstellar radiation field and lower cosmic ray rate.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Interstellares Medium Thermischer druck Hydrodynamische Simulationen
Schlagwörter
(Englisch)
Interstellar medium Thermal pressure Hydrodynamical simulations
Autor*innen
Moa Hulda Karoline Huppenkothen
Haupttitel (Englisch)
Modeling the neutral phases of the interstellar medium in galaxy simulations
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
xiv, 78 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Sylvia Plöckinger
Klassifikation
39 Astronomie > 39.43 Interstellare Materie
AC Nummer
AC17826807
Utheses ID
80184
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |