Universität zu Köln

Ngo, Thanh Liem ORCID: 0000-0002-7867-6671 (2022). Sulfur-bearing species in Sagittarius B2 (Main). PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The search for interstellar molecules and the effect of physical and chemical properties of the interstellar medium (ISM) on the abundance of molecules lie at the heart of Astrochemistry. One essential motivation is to understand how the molecules can be found and the physical properties of the ISM can be affected and traced by the chemistry of the high-mass star-forming region. While the number of species detected in the interstellar medium is increasing, we require an understanding of the chemistry inside the interstellar medium. In high-mass star-forming regions, the density and temperature of molecules are high, leading to more complex molecules such as methanol, ethanol, Nitrogen-bearing molecules, and Sulfur-bearing molecules. In particular, Sagittarius B2 (Sgr B2) is the most active high mass star-forming region in our Galaxy. Moreover, Sgr B2 is embedded in the Center Molecular Zone (CMZ) region, which leads to Sgr B2 being an excellent target for studying the production of complex molecules under extreme physical conditions (high densities, strong radiation field, high cosmic-ray flux) has long been a favorite region to search for new molecules. In this research, we take advantage of the high angular resolution and high sensitivity of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). In astonishing detail, the observed ALMA data allow us to examine the spatial distribution and structure of molecules in the massive star-forming regions Sgr B2 (Main). I concentrate on sulfur-bearing molecules and derive the physical and chemical properties of the molecules in Sgr B2(Main). The second part of the thesis analyzes their physical evolution from the cold pre-stellar phase to the warm-up phase. Using the astrochemical code Saptarsy, we simulate the chemical evolution of selected sulfur-bearing molecules in 106 years and analyze the impacts of physical conditions of the molecular cloud. We can constrain the physical parameter of the cloud, such as the cosmic rays, the density distribution of the molecular cloud, the thermal evolution of the cloud, and the minor impacts of the molecules’ abundance: the binding energy of species to water ice surfaces, which is the intrinsic parameter of the molecules and impact the gas-grain chemical models. In addition, among the physical parameters of the cloud that we have constrained, we found that cosmic rays ionization is essential, which significantly influences the cloud chemistry producing the ions H+, H3+, H2+, and He+. These ions take part in the formation and destruction processes of COMs. We ran the astrochemical models and investigated the dependence of the abundances on the cosmic-ray ionization rate inside the molecules cloud. We compared the astrochemical model results to the abundance of molecules derived from the observations of the hot cores. Our results showed that cosmic-ray ionization rates of 1.3 10^{−16} s^{-1} match the observed abundance of Sulfur-bearing molecules in Sgr B2(Main).

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Suche nach interstellaren Molekülen und der Einfluss der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Interstellaren Mediums ISM auf die Häufigkeit von Molekülen stehen im Mittelpunkt der Astrochemie. Eine wesentliche Motivation besteht darin, zu verstehen, wie die Moleküle gefunden werden können und wie die physikalischen Eigenschaften des ISM durch die Chemie der massereichen Sternentstehungsregion beeinflusst und nachverfolgt werden können. Während die Zahl der im interstellaren Medium nachgewiesenen Spezies zunimmt, müssen wir die Chemie innerhalb des interstellaren Mediums verstehen. In massereichen Sternentstehungsgebieten sind die Dichte und Temperatur der Moleküle hoch, was zu komplexeren Molekülen wie Methanol, Ethanol, stickstoffhaltigen Molekülen und schwefelhaltigen Molekülen führt. Insbesondere Sagittarius B2 (Sgr B2) ist das aktivste Sternentstehungsgebiet mit hoher Masse in unserer Galaxie. Darüber hinaus ist Sgr B2 in die Region der Zentralen Molekularen Zone (CMZ) eingebettet, was dazu führt, dass Sgr B2 ein hervorragendes Ziel für die Untersuchung der Produktion komplexer Moleküle unter extremen physikalischen Bedingungen (hohe Dichte, starkes Strahlungsfeld, hoher kosmischer Strahlungsfluss) ist und seit langem eine beliebte Region für die Suche nach neuen Molekülen ist. Diese Arbeit nutzt die hohe Empfindlichkeit der abbildenden Spektrallinienvermessung, die durch das Atacama Large Millimeter/Sub Millimeter Array (ALMA) ermöglicht wird. Sie ermöglicht es, die räumliche Struktur und den chemischen Gehalt aktiver Sternentstehungsgebiete in Sgr B2 in erstaunlicher Detailtreue zu untersuchen. Ich konzentriere mich auf schwefelhaltige Moleküle in Sgr B2(Main). In einer detaillierten vergleichenden Studie bestimmen wir ihre chemische Zusammensetzung, Dichte, Masse, Temperatur und räumliche Struktur. Im zweiten Teil der Arbeit analysieren wir ihre physikalische Entwicklung von der kalten prästellaren Phase bis zur Aufwärmphase. Mit Hilfe des astrochemischen Codes Saptarsy berechnen wir die zeitabhängigen chemischen Häufigkeiten ausgewählter schwefelhaltiger Moleküle und untersuchen die chemischen Reaktionen und Prozesse, die an ihrer Bildung unter den extremen Bedingungen beteiligt sind, die für Sgr B2(M) charakteristisch sind. Wir können auch die physikalischen Parameter der Wolke einschränken, wie die kosmische Strahlung, die Dichteverteilung der Molekülwolke, die thermische Entwicklung der Wolke und die geringfügigen Auswirkungen der Häufigkeit der Moleküle: die Bindungsenergie von Spezies an Wassereisoberflächen, die der intrinsische Parameter der Moleküle ist und die chemischen Modelle des Gas-korns beeinflusst. Darüber hinaus haben wir unter den physikalischen Parametern der Wolke, die wir bestimmt haben, herausgefunden, dass die Ionisierung durch kosmische Strahlung eine wesentliche Rolle spielt, die die Chemie der Wolke erheblich beeinflusst und die Ionen H+ , H3+ , H2+ , He+ erzeugt. Diese Ionen sind an den Entstehungs- und Zerstörungsprozessen der COMs beteiligt. Wir führten die astrochemischen Modelle durch und untersuchten die Abhängigkeit der Häufigkeiten von der Ionisierungsrate der kosmischen Strahlung innerhalb der Molekülwolke. Wir verglichen die Ergebnisse der astrochemischen Modelle mit den Häufigkeiten der Moleküle, die aus den Beobachtungen in Richtung der heißen Kerne abgeleitet wurden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Ionisierungsrate der kosmischen Strahlung 1,3.10^{-16} s^{-1} mit der beobachteten Häufigkeit von schwefelhaltigen Molekülen in Sgr B2(Main) übereinstimmen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Ngo, Thanh Liem ngo@ph1.uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-7867-6671 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-630599
Date:	2022
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Astrochemistry English Sulfur-bearing species English Interstellar medium English Sgr B2 English High-mass star formation English Saptarsy English Molecular lines English XCLASS English
Date of oral exam:	20 June 2022
Referee:	Name Academic Title Saur, Joachim Prof.Dr. Schilke, Peter Prof.Dr. Schlemmer, Stephan Prof.Dr. Sánchez-Monge, Álvaro Dr.
Funders:	Collaborative Research Centre 956, sub-projects C3; Project 911 VIED fellowships
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/63059