Universität zu Köln

Structure analysis of the Perseus and the Cepheus B molecular clouds

Sun, Kefeng (2008) Structure analysis of the Perseus and the Cepheus B molecular clouds. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In the first part of this work, I study the structural properties of Galactic molecular clouds. The \Delta-variance method is applied to both the CO integrated intensity maps and the velocity channel maps that present spatial distribution of line intensities at each successive velocity interval. The spectral index \beta of the corresponding power spectrum is determined. Its variation across the cloud and across the lines is studied. It is found that the power spectra of all CO line integrated maps of the whole complex show the same index, \beta = 3.1, for scales between about 0.2 and 3 pc, independent of isotopomer and rotational transition. However, the CO maps of individual subregions show a variation of \beta. The 12CO 3--2 data provide a spread of indices between 2.9 in L 1455 and 3.5 in NGC 1333. In general, active star forming regions show a larger power-law exponent. I use the velocity channel analysis to study the statistical relation between the neighboring channel maps. Some theory predicts systematic increase of the spectral index with channel width. Such systematic increase is only detected in the blue line wings for the CO data. I apply Gaussclumps to the whole observed Perseus cloud and seven sub-regions, and to derive the clump properties as traced in 13CO 1--0 and 2--1. With the individual clumps identified, their properties such as mass, size, velocity width are derived. The clumps identified have a power law mass spectrum, and a power law index 1.9 of clump mass spectra. The virial parameter, which is the ratio between virial mass and the mass estimated from the Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) analysis, is used to characterize the equilibrium state of a clump. The LTE assumes that all distribution functions characterizing the material and its interaction with the radiation field at one position are given by thermodynamic equilibrium relations at local values of the temperature and density. Virial mass here is the mass of a clump in statistical equilibrium derived by using the virial theorem. All clumps identified in both NGC 1333 and L 1455 are found with a virial parameter above 1. The external pressure needed to bind the clumps falls within 10^3 K cm^-3 and 10^6 K cm^-3 for the whole observed Perseus cloud, while it varies between active star formation regions and quiescent dark clouds. The second part of this thesis is to study the physical properties of the transition layers on the surface of molecular clouds, i.e. Galactic photon dominated regions. Two clouds are selected for the study: IC 348 and Cepheus B. Both clouds are close to the radiation field of the bright stars that are part of the youngest generation. Hence, they are ideal places to study the properties of PDRs. The KOSMA - \tau PDR model is used to interpret the observed line intensities. It is a spherical PDR model, which computes the chemical and temperature structure of a spherical clump illuminated by an isotropic FUV radiation field and cosmic rays. The form of carbon changes with increasing depth from the surface of the PDR from C^+ through C^0 to CO. Therefore emission from [C ii], [C i] and the rotational lines of CO can be used as probes of temperature, density and column density in the PDRs. I use the data of 12CO 1--0, 4--3, 13CO 1--0 and [C i] 3P1 -- 3P0 to study physical and chemical properties of the PDRs in IC 348. New observations of maps in [C i] at 492 GHz and 12CO 4--3 with a resolution of $\sim$ 1\arcmin~are combined with the FCRAO data of 12CO 1--0, 13CO 1--0 and far-infrared continuum data. To derive the physical parameters of the region, three independent line ratios are analyzed using the following: a simple LTE analysis; KOSMA - \tau PDR model considering an ensemble of PDR clumps. Detailed fits to observations are presented at seven representative positions in the cloud revealing clump densities between about 4.4 10^4 cm^-3 and 4.3 10^5 cm^-3, and C/CO column density ratios between 0.02 and 0.26. The FUV flux obtained from the model fit is consistent with that derived from FIR continuum data, varying between 2 to 100 Draine units across the cloud. An ensemble of a few tens PDR clumps with a total mass of a few solar masses and a beam filling close to unity reproduces the observed line intensities and intensity ratios. A multi-line study in the Cepheus B molecular clouds is presented. Two 5' long cuts have been observed for up to three transitions of the CS, HCO^+, HCN, HNC, CN, and C2H molecules. The integrated intensity distribution along the cuts have been calculated and a least square fit is used to the observed hyperfine structure of C2H, CN and HCN for deriving the opacities. At the two interface positions, column densities of H2, 12CO, 13CO, C18O, CS, C34S, HCO^+, H13CO^+, HCN, HNC, HCS^+ and HCO are estimated under the LTE assumption.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Im ersten Teil dieser Arbeit werden die strukturellen Eigenschaften galaktischer Molekülwolken untersucht. Wir haben das Power-Spektrum der Fourier-Transformierten der Autokorrelationsfunktion der räumlichen Struktur der Emission bestimmt. Für eine bestimmte Beobachtungsgröße quantifiziert das Powerspektrum die Energie die in bestimmten räumlichen Einheiten auftritt. Durch Anfitten eines Power-Laws mit Steigung \beta an das Power-Spektrum, können wir studieren, welcher Anteil der Struktur auf verschiedenen linearen Skalen in der Region aufgelöste wurde. Die \Delta-Varianz Methode wurde sowohl auf die integrierten CO Intensitäskarten als auch auf die Geschwindigkeitskanalkarten angewandt, die die räumliche Verteilung der Linienintensitäten in unterschiedlichen Geschwindigkeitsbereichen quantifizieren. Der spektrale Index \beta der korrespondierenden Power-Spektra wird bestimmt. Wir finden, dass auf Skalen von 0.2-3pc die integrierten Karten des gesamten Perseus-Komplexes unabhängig von Isotopomer und Rotationsübergang einen Spektral-Index \beta=3.1 haben. Die CO-Karten individueller Teilregionen zeigen Variation in \beta. 12CO 3--2 Daten zeigen einen \beta-Bereich von 2.9 in L1455 bis 3.5 in NGC 1333. Im Allgemeinen findet man größere Power-Indizes in aktiven Sternenstehungsgebieten. Die Abhängigkeit der Powerspektra der Kanalkarten von der Breite der Geschwindikeitskanäle zeigt sich nur in der Zunahme der Spektralindizes im blauen Linienflügel. GAUSSCLUMPS identifiziert einen Klumpen als gaußförmigen least-square Fit zum aktuellen Maximum der Karte und subtrahiert iterativ Klumpen von der Karte bis die komplette Intensität in Klumpen aufgeteilt wurde. Ich benutze diese Methode in der gesamten Perseus Wolke und in sieben Sub-Regionen, um die Klumpeneigenschaften in 13CO 1--0 und 2--1 zu studieren. Für die einzelnen identifizierten Klumpen untersuchen wir Masse, Größe und Geschwindigkeitsbreite des jeweiligen Klumpens. Die identifizierten Klumpen zeigen ein Powerlaw mit einem Index 1.9 des Klumpen-Massen Spektrums. Der Virialparameter, das Verhältnis aus Virialmasse und Masse berechnet unter Annahme lokalen thermischen Gleichgewichtes (LTE), beschreibt den Gleichgewichtszustand der Klumpen. Mit Virialmasse bezeichnen wir hier die Gleichgewichtsmasse eines Klumpen hergeleitet unter Annahme des Virialtheorems. Alle Klumpen in den Regionen NGC 1333 und L1455 haben Virialparameter größer als 1. Der externe Druck, der benötigt wird um einen Klumpen zu binden, ist zwischen 10^3 K cm^-3 und 10^6 K cm^-3 im gesamten Perseus-Gebiet. Zwischen aktiven Sternentstehungsgebieten und Dunkelwolken finden wir Variationen in den Virialparametern. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die physikalischen Eigenschaften der Übergangsschichten an der Oberfläche von Molekülwolken studiert, d.h. Galaktische PDRs. Dafür werden zwei Regionen betrachtet: IC348 und Cepheus B. Das KOSMA-\tau PDR-Model wird benutzt um die beobachteten Linienintensitäten zu interpretieren. Das Model ist ein sphärisches PDR-Model und berechnet die chemische Struktur und Temperaturverteilung eines Klumpens, der in einem isotropen FUV- und kosmischen Strahlungsfeld liegt. In dieser Arbeit werden 12CO 1-0, 4-3, 13CO 1-0 und CI 1-0 um die chemischen und physikalischen Eigenschaften der PDRs in IC348 zu studieren. Dazu werden neu beobachtete Karten in CI bei 492 GHz und 12CO 4-3 bei ca. 1' Auflösung mit FCRAO-Daten der Linien 12CO 1-0, 13CO 1-0 und Fern-Infrarot (FUV) Kontinuum-Daten kombiniert. Um die physikalischen Parameter dieser Region zu bestimmen, analysieren wir wie folgt drei unabhängige Linienverhältnisse: mit einer einfachen LTE-Analyse und mit Hilfe des KOSMA-\tau PDR-Models und einem Ensemble von Klumpen. An sieben repräsentativen Positionen der Wolke diskutieren wir detaillierte Fits an die Beobachtungen, welche Klumpen-Dichten zwischen 4.4 10^4 und 4.3 10^5 cm^-3 ergeben. Die Fits für den FUV-Fluss aus dem PDR-Model sind konsistent mit Ergebnissen aus den FUV Kontinuum-Daten und varieren zwischen 2 und 100 Draine-Einheiten in der Wolke. Ein Ensemble einigen zehn PDR Klumpen mit einer totalen Masse von einigen zehn Sonnenmassen und einem Füllfaktor nahe 1 reproduziert die beobachteten integrierten Intensitäten und Linienverhältnisse. Eine Studie in verschieden Linien in der CepheusB-Molekülwolke wird vorgestellt. In zwei 5' langen Schnitten wurden bis zu drei Linienübergänge der CS, HCO^+, HCN, HNC, CN, und C2H Moleküle beobachtet. Es wurden die integrierten Intensitäten berechnet und ein least-square Fit wurde benutzt um aus den beobachteten Hyperfeinstrukturübergängen von C2H,CN und HCN die Opazitäten zu bestimmen. An zwei Interface-Positionen werden H2, 12CO, 13CO, C18O, CS, C34S, HCO^+, H13CO^+, HCN, HNC, HCS^+ und HCO Säulendichten unter der Annahme von LTE bestimmt.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Sun, Kefengkefeng@ph1.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-24383
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Molekülwolken , Strukturelle Analyse , Perseus , Cepheus BGerman
    molecular clouds , structure analysis , Perseus , Cepheus BEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 25 June 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 20 Aug 2008 11:22:28
    Referee
    NameAcademic Title
    Stutzki, JürgenProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2438

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