Universität zu Köln

Joshi, Prabesh Raj (2019). Simulations of Molecular Clouds:Resolution Requirements and Core Formation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The formation of molecular hydrogen (H$_2$) and carbon monoxide (CO) is sensitive to the volume and column density distribution of the turbulent interstellar medium. In order to obtain correct numerical approximations of the molecular cloud formation in nature, simulations that couple the gas dynamics and chemical evolution are gaining popularity over the last decade. However, a comprehensive study on the spatial resolution required to model different molecules is missing. The simulations presented in this thesis are designed to investigate the resolution requirements for a converged formation history of H$_2$ and CO molecules and serve to indicate whether such requirements have been met in existing studies. For this purpose, the \textsc{Flash} code is used to study H$_2$ and CO formation in a large set of hydrodynamical simulations of periodic boxes with driven supersonic turbulence and of colliding flows. The simulations include a non-equilibrium chemistry network, gas self-gravity, and diffuse radiative transfer. The resolution requirements are determined by identifying two critical conditions for numerical modelling: the simulation has to at least resolve the densities at which (1) the molecule formation time in each cell in the computational domain is equal to the dissociation time, and (2) the formation time is equal to the typical cell-crossing time. These requirements are affected by the composition of the gas as well as by the strength of turbulence and interstellar radiation field in the molecule forming regions. For the solar metallicity gas, which is subject to a solar neighbourhood interstellar radiation field and typical velocity dispersion observed in molecular clouds, the second criterion is found to be more restrictive, for both H$_2$ and CO formation. The numerical results and derived resolution criteria indicate that a spatial resolution of $\lesssim 0.2$~pc is sufficient for converged H$_2$ formation; the required resolution for CO convergence is $\lesssim 0.04$~pc. The expressions for the resolution requirements derived in this thesis can be used to check whether molecule formation is converged in any given simulation. Finally, the chemically and dynamically resolved simulation of molecular clouds is used to investigate the formation of massive molecular cloud cores. The cores are found to accrete gas from the parent cloud primarily along designated channels defined by the filamentary structures in the molecular clouds.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Entstehung von molekularem Wasserstoff (H$_2$) und Kohlen-Monoxid (CO) hängt sensitive mit der Volumendichte und Säulendichte Verteilung im interstellaren Medium zusammen. Um eine korrekte numerische Näherung der Entstehung von Molekülwolken zu erhalten, wurden im letzten Jahrzehnt Simulationen erstellt, die die Gasdynamik mit einer chemischen Evolution verbinden. Jedoch steht bist dato eine Untersuchung über die benötigte Auflösung aus, die benötigt wird um gewisse Moleküle zu modellieren. Simulationen in dieser Arbeit untersuchen die Anforderungen an die Auflösung, mit welcher die Bildung von H$_2$ und CO konvergiert. Es wird auch überprüft, ob vorangegangene Studien diese Erfordernisse erfüllen. Dazu werden hydrodynamische Simulationen mit dem \textsc{Flash} Code durchgeführt. Das oben genannte wird sowohl in periodischen Boxen mit getriebener super-sonischer Turbulenz oder von ``colliding flow'' Szenarios untersucht. Die Simulationen beinhalten ein chemisches Netzwerk im Nicht-Gleichgewicht, Selbstgravitation des Gases und Strahlungstransfer von diffuser Strahlung. Die nötige Auflösung wird durch zwei kritische Bedingungen identifiziert wobei die Zeit zur Bildung gleich der (1) Dissoziationszeit und (2) der typischen Informationszeit in einer Zelle sein muss. Diese Bedingungen sind abhängig von der Zusammensetzung des Gases sowie der Stärke der Turbulenz und des interstellaren Strahlungsfeldes. Wobei das zweite Kriterium in Umgebungen ähnlich der solaren Nachbarschaft als deutlich einschränkender gilt. Sowohl die Auswertung der numerischen Simulationen als auch der theoretischen Überlegungen ergeben räumliche Auflösungen von $\lesssim 0.2$~pc bzw. $\lesssim 0.04$~pc, die benötigt werden um die Entstehung von H$_2$ bzw. CO korrekt abzubilden. Erstmalig kann damit in Simulationen die Bildung von Molekülen auf Konvergenz überprüft werden. Daraus werden chemisch und dynamisch aufgelöste Simulationen abgeleitet, in welchen die Entstehung von molekularen Kernen in Molekülwolken untersucht wird. Dabei zeigt sich, dass diese Kerne Gas ihrer Umgebung entlang vorgegebener Kanäle akkretieren. Die Ausrichtung der Kanäle entspricht der von filamentären Strukturen in der Wolke. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Joshi, Prabesh Raj prabeshjte@live.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-98505
Date:	12 February 2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language interstellar medium English astrochemistry English numerical simulations English
Date of oral exam:	28 March 2019
Referee:	Name Academic Title Walch-Gassner, Stefanie Prof. Dr. Schilke, Peter Prof. Dr.
Funders:	DFG, Gauss Centre for Supercomputing e.V., Regional Computing Center of the University of Cologne (RRZK)
Projects:	SFB 956 sub-project C5
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9850