Universität zu Köln

Klepitko, Andre Mark ORCID: 0000-0002-5570-1184 (2022). Tree-Based Radiative Transfer of Diffuse Sources: A Novel Scheme and its Application in Massive Star Formation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Electromagnetic radiation plays an essential role in the evolution of astrophysical phenomena. Solving radiative transfer in numerical radiation hydrodynamics simulations is expensive and challenging. This work presents a novel method called \textsc{TreeRay/RadPressure} employing a tree-based backwards ray-tracing approach to compute radiative transfer of non-ionizing radiation on diffuse sources such as interstellar dust. The novel scheme allows for every computational entity to be a source of radiation and a contributor towards extinction. The scheme is implemented and tested for a finite volume method and can be generalized to work with particles of, for example, a Smoothed-Particle-Hydrodynamics method. The scheme developed in this thesis is suitable to compute radiation pressure on dust and gas. Coupled to a chemical network, the method allows to accurately model radiative cooling and heating of dust. An application of the scheme in the context of massive star formation shows that fragmentation induced by self-gravity is reduced by the scheme's more accurate teatmennt of cooling and heating. In particular, self-shielding of dust allows efficient cooling only from the surface of optically thick regions. With the help of \textsc{TreeRay/RadPressure}, the role of metallicity in the collapse of a subvirial turbulent core forming a massive stars is investigated. The core has a radius of 0.1 parsec and a mass of 150 solar masses. Along with ionizing radiation computed by \textsc{TreeRay/OnTheSpot}, the relative strength of radiation pressure and ionizing feedback are examined. Radiation pressure is the dominant feedback mechanism during the formation of the massive star while it hosts an ultra-compact HII region. Radiation pressure does not halt accretion onto the massive star and its strength is reduced once a disk establishes. Greater metallicities favour fragmentation by enhancing cooling. This results in a greater multiplicity with increased metallicity. Radiation pressure manages to launch bipolar outflows along the rotational axis of the disk. \textsc{TreeRay/RadPressure} is compared to a multi-wavelength scheme based on RADMC-3D to compute radiation pressure. The comparison is done using non-trivial density distributions generated by radiation hydrodynamics simulations with \textsc{TreeRay/RadPressure}. The comparison shows the radiation pressure calculations of both schemes to agree for the majority of density and luminosity configurations. Simplfied theoretical modelling using the optical depth as a proxy for the momentum boost fails to estimate the radiation pressure.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Elektromagnetische Strahlung spielt eine essenzielle Rolle in der Entwicklung astrophysikalischer Prozesse. Das Lösen der Strahlungstransportgleichung in numerischen Simulationen der Strahlungshydrodynamik ist aufwendig. Diese Arbeit beschreibt eine neue Methode namens \textsc{TreeRay/RadPressure} zur Lösung der Strah-lungstransportgleichung für diffuse Quellen wie etwa interstellarer Staub. Die Methode basiert auf einem Ansatz, dem eine sogenannte Baumdatenstruktur in Kombination mit Strahlverfolgung zu Grunde liegen. Auf diese Weise wird es jeder numerischen Einheit ermöglicht zur Strahlung beizutragen oder diese abzuschwä-chen. Die Methode wurde in einem Finite-Volumen-Verfahren implementiert, lässt sich generalisieren und damit auch auf zum Beispiel die Smoothed-Particle-Hydro-dynamics-Methode anwenden. \textsc{TreeRay/RadPressure} eignet sich zur Berechnung von Strahlungsdruck auf Staub und Gas. Zusammen mit einem chemischen Netzwerk lassen sich mit der neuen Methode Heiz- und Kühlprozesse durch Staub modellieren. Eine Anwendung des neuen Algorithmus zeigt, dass sich durch Eigengravitation verursachte Fragmentation in Verbindung mit genaueren Heiz- und Kühlprozessen reduziert. Insbesondere durch Selbstabschirmung kann Staub nur an der Oberfläche optisch dicker Regionen kühlen. Unter der Verwendung von \textsc{TreeRay/RadPressure} wurde der Kollaps stark gebundener Klumpen mit verschiedener Metallizität berechnet. Die Klumpen haben eine Masse von 150 Sonnenmassen, einen Radius von 0.1 Parsec und bilden einen massiven Stern. Zusammen mit \textsc{TreeRay/OnTheSpot} lies sich so die relative Stärke von Strahlungsdruck und ionisierender Strahlung untersuchen. Das Ergebnis zeigt, dass Strahlungsdruck stärker ist als ionisierende Strahlung, während der massereiche Stern von einer ultrakompakten HII region umgeben ist. Strahlungsdruck stoppt nicht die Akkretion von Masse auf den Stern und seine Stärke verringert sich sobald sich eine Akkretionsscheibe bildet. Größere Metallizität fördert Fragmentation durch stärkere Kühlung. Dadurch erhöht sich die Multiplizität im Falle höherer Metallizität. Strahlungsdruck bewirkt den Ausstoß von Gas und Staub entlang der Rotationsachse der Scheibe. Der durch \textsc{TreeRay/RadPressure} berechnete Strahlungsdruck wurde mit dem einer unabhängigen Methode verglichen. Die Methode basiert auf der RADMC-3D Software und modelliert Strahlungstransport basierend auf der Monte-Carlo-Methode. Hierbei liegen Dichtekonfigurationen aus Simulationen zugrunde, anhand derer sich ein überwiegend übereinstimmendes Ergebnis gezeigt hat. Vereinfachte theoretische Modelle, die nur die optische Tiefe verwenden, scheitern an der Beschreibung des tatsächlich berechneten Strahlungsdrucks. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Klepitko, Andre Mark klepitko@ph1.uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-5570-1184 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-705046
Date:	21 August 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 Radiative Transfer English Massive Star Formation English Radiative Stellar Feedback English
Date of oral exam:	18 October 2022
Referee:	Name Academic Title Walch-Gassner, Stefanie Prof. Dr. Porciani, Cristiano Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/70504