Advanced

Investigating Gas Turbulence in Galactic Discs

Ejdetjärn, Timmy LU (2019) In Lund Observatory Examensarbeten ASTM31 20191
Lund Observatory
Abstract
The interstellar medium of both local and distant disc galaxies is observed to be supersonically turbulent and the turbulent motion of the gas is thought to be important for galaxy formation and evolution, particularly as a key ingredient for star formation. Consequently, this generates a striking relation between the star formation rate (SFR) and gas velocity dispersion ($\sigma_{\rm g}$; a measurement on the level of turbulence). However, there is no consensus on the origin of this turbulence and its relation with star formation is not yet understood. The two main features of this relation is a plateau of $\sigma_{\rm g}\sim 10\ {\rm km\ s^{-1}}$ for SFR $\lesssim2-3\ {\rm \,M}_\odot\,{\rm yr}^{-1}$ and a rapid increase of $\sigma_{\rm... (More)
The interstellar medium of both local and distant disc galaxies is observed to be supersonically turbulent and the turbulent motion of the gas is thought to be important for galaxy formation and evolution, particularly as a key ingredient for star formation. Consequently, this generates a striking relation between the star formation rate (SFR) and gas velocity dispersion ($\sigma_{\rm g}$; a measurement on the level of turbulence). However, there is no consensus on the origin of this turbulence and its relation with star formation is not yet understood. The two main features of this relation is a plateau of $\sigma_{\rm g}\sim 10\ {\rm km\ s^{-1}}$ for SFR $\lesssim2-3\ {\rm \,M}_\odot\,{\rm yr}^{-1}$ and a rapid increase of $\sigma_{\rm g}\gtrsim 100\ {\rm km\ s^{-1}}$ for SFR $\gtrsim2-3\ {\rm \,M}_\odot\,{\rm yr}^{-1}$. These very turbulent gas discs are mainly found in high redshift galaxies, which are observed on the spatial scale of several kpc and are, thus, poorly resolved. This also makes it difficult to accurately correct for beam smearing, which is an observational effect that increases the velocity dispersion due to mixing with the velocity of the disc rotation. Furthermore, they are mainly observed using H$\alpha$ as a tracer, which is dynamically different from e.g. neutral and molecular hydrogen. In this thesis, I determine which of these factors are crucial for shaping the observed features of the $\sigma_{\rm g}-$SFR relation. Furthermore, I investigate the possible origins of gas turbulence in disc galaxies, focusing on two origins popular in literature: gravitational instability and stellar feedback. To achieve all this, I perform state-of-the-art hydro+\textit{N}-body simulations of entire galactic discs with a range of characteristics and feedback processes. I find simulated and observed $\sigma_{\rm g}-$SFR relations to be in excellent agreement. However, the simulated galaxies only reach $\sigma_{\rm g}\lesssim 50\ {\rm km\ s^{-1}}$ while observational data suggest $\sigma_{\rm g}\lesssim 150\ {\rm km\ s^{-1}}$. I show that by considering the warm gas phase, $\sigma_{\rm H\alpha} \sim 130\ {\rm km\ s^{-1}}$ can be reproduced, which highlights the heterogeneity of the data, as different tracers have different kinematics. Furthermore, I demonstrate how even low levels of beam smearing can lead to severe overestimates of the observed turbulent velocity dispersions, a notion that calls into question results from high redshift galaxy observations. I show that the \sigmasfr remains unchanged when removing stellar feedback and that gas turbulence in disc galaxies is driven by a marginally stable disc and that a galactic disc is naturally drawn towards marginal instability. Finally, I present two new analytic equations to predict the level of turbulence in galaxies from the warm ionised gas phase, using simple equipartition arguments, and in the case of a gravitationally unstable disc, by applying a multi-component Toomre's $Q$ equation. The good match of these equations with simulation data encourage the development of new analytic models based on the warm ionised phase and tools such as Toomre's $Q$. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Genom en simpel sökning på internet kan man nuförtiden hitta många vackra bilder på enskilda galaxer och på stora samlingar av galaxer, galaxhopar. Vårt solsystem befinner sig i Vintergatan, en spiralgalax inte helt olik många av dessa galaxer. Bilderna visar oftast ljuset som kommer från stjärnor och stjärnstoft, men galaxer består även av gas. Det är från massiva gasmoln i galaxer som stjärnor formas och att förstå gasen i galaxer är därav viktig för att förstå hur galaxer formas och utvecklas med tiden. En galax är den ugn i vilket allt annat kan skapas (stjärnor och planeter, vilka skapar andra byggblock - t.ex. tyngre metaller) och att förstå galaxer lägger därför grunden för ett djupare förstående inom alla astronomins ämnen.

... (More)
Genom en simpel sökning på internet kan man nuförtiden hitta många vackra bilder på enskilda galaxer och på stora samlingar av galaxer, galaxhopar. Vårt solsystem befinner sig i Vintergatan, en spiralgalax inte helt olik många av dessa galaxer. Bilderna visar oftast ljuset som kommer från stjärnor och stjärnstoft, men galaxer består även av gas. Det är från massiva gasmoln i galaxer som stjärnor formas och att förstå gasen i galaxer är därav viktig för att förstå hur galaxer formas och utvecklas med tiden. En galax är den ugn i vilket allt annat kan skapas (stjärnor och planeter, vilka skapar andra byggblock - t.ex. tyngre metaller) och att förstå galaxer lägger därför grunden för ett djupare förstående inom alla astronomins ämnen.

En viktig komponent av en spiralgalax är dess disk, vilken är fylld med stjärnor och gas - dessa formar den kända spiralstrukturen. Det är i galaxer som dessa där större delen av alla stjärnor i universum formas. En kvarstående fråga inom astrofysik är hur miljön i galaxen, dvs. hur gasen beter sig, påverkar formationen av stjärnor. Det är numera väl-observerat att gasen i diskgalaxer är väldigt turbulent - vilket betyder att gasen rör sig väldigt snabbt och oorganiserat. Ännu mer intressant är att denna rörig gasmiljön är relaterad till hur galaxen ser ut - t.ex. påverkar turbulensen hur gasen är utspridd och hur många stjärnor som skapas varje år. Denna relation mellan gasturbulens och stjärnformation är inte ännu förstod och forskare är inte heller eniga om vad som gör gasen så extremt turbulent.

Det som är förstått är att yngre galaxer är mer turbulenta och formar mer stjärnor än äldre galaxer, som redan har förvandlat mestadels av sin gas till stjärnor. Baserat på detta, olika teorier för källan av gasturbulens i diskgalaxer har föreslagits. Slutet av en stjärnas liv kan sluta ganska explosivt, genom olika typer av supernova. Ett förslag är att dessa explosioner skjuter in nog med energi i gasen för att inducera turbulenta rörelser och desto fler stjärnor som formas, desto fler supernova kommer att ske. Ännu en populär idé är att potentiell energi från de massiva gasmolnen blir omvandlad till rörelseenergi när molnen kollapsar och stjärnor formas. Detta är de två huvudsakliga idéer jag undersöker i det här projektet.

I mitt projekt så gör jag numeriska simulationer på diskgalaxer för att avgöra hur gasturbulensen i dessa diskgalaxer ser ut och hur detta påverkar stjärnformationen i galaxerna. En stor del av min analys är baserad på att den observationella datan som existerar är väldigt ohomogen, med vilket jag menar att datan kommer från många olika undersökningar och galaxerna observerade är i olika stadier av sina liv. En direkt jämförelse är därför svår att rättvist göra, så länge de olika faktorerna inte är övervägda noggrant.

Galaxer är komplicerade. Det är mycket som går in i receptet för att skapa en diskgalax. Du behöver stjärnor, stjärnstoft och gas, vilka sedan kan ha en stor variation av strukturer: spiralarmar, galaxstav och galaxbulb. Då har jag inte äns nämnt mörk materia och den del-struktur som existerar runt galaxen. Mitt projekt handlar om att förklara en del av detta recept, specifikt gasen, och att försöka förstå hur detta recept ändras med galaxernas ålder. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Ejdetjärn, Timmy LU
supervisor
organization
course
ASTM31 20191
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
galaxies, gas, turbulence, interstellar medium, star formation, feedback, gravitational instability, local, high redshift
publication/series
Lund Observatory Examensarbeten
report number
2019-EXA144
language
English
id
8977974
date added to LUP
2019-05-29 09:59:17
date last changed
2019-06-04 15:02:41
@misc{8977974,
  abstract     = {The interstellar medium of both local and distant disc galaxies is observed to be supersonically turbulent and the turbulent motion of the gas is thought to be important for galaxy formation and evolution, particularly as a key ingredient for star formation. Consequently, this generates a striking relation between the star formation rate (SFR) and gas velocity dispersion ($\sigma_{\rm g}$; a measurement on the level of turbulence). However, there is no consensus on the origin of this turbulence and its relation with star formation is not yet understood. The two main features of this relation is a plateau of $\sigma_{\rm g}\sim 10\ {\rm km\ s^{-1}}$ for SFR $\lesssim2-3\ {\rm \,M}_\odot\,{\rm yr}^{-1}$ and a rapid increase of $\sigma_{\rm g}\gtrsim 100\ {\rm km\ s^{-1}}$ for SFR $\gtrsim2-3\ {\rm \,M}_\odot\,{\rm yr}^{-1}$. These very turbulent gas discs are mainly found in high redshift galaxies, which are observed on the spatial scale of several kpc and are, thus, poorly resolved. This also makes it difficult to accurately correct for beam smearing, which is an observational effect that increases the velocity dispersion due to mixing with the velocity of the disc rotation. Furthermore, they are mainly observed using H$\alpha$ as a tracer, which is dynamically different from e.g. neutral and molecular hydrogen. In this thesis, I determine which of these factors are crucial for shaping the observed features of the $\sigma_{\rm g}-$SFR relation. Furthermore, I investigate the possible origins of gas turbulence in disc galaxies, focusing on two origins popular in literature: gravitational instability and stellar feedback. To achieve all this, I perform state-of-the-art hydro+\textit{N}-body simulations of entire galactic discs with a range of characteristics and feedback processes. I find simulated and observed $\sigma_{\rm g}-$SFR relations to be in excellent agreement. However, the simulated galaxies only reach $\sigma_{\rm g}\lesssim 50\ {\rm km\ s^{-1}}$ while observational data suggest $\sigma_{\rm g}\lesssim 150\ {\rm km\ s^{-1}}$. I show that by considering the warm gas phase, $\sigma_{\rm H\alpha} \sim 130\ {\rm km\ s^{-1}}$ can be reproduced, which highlights the heterogeneity of the data, as different tracers have different kinematics. Furthermore, I demonstrate how even low levels of beam smearing can lead to severe overestimates of the observed turbulent velocity dispersions, a notion that calls into question results from high redshift galaxy observations. I show that the \sigmasfr remains unchanged when removing stellar feedback and that gas turbulence in disc galaxies is driven by a marginally stable disc and that a galactic disc is naturally drawn towards marginal instability. Finally, I present two new analytic equations to predict the level of turbulence in galaxies from the warm ionised gas phase, using simple equipartition arguments, and in the case of a gravitationally unstable disc, by applying a multi-component Toomre's $Q$ equation. The good match of these equations with simulation data encourage the development of new analytic models based on the warm ionised phase and tools such as Toomre's $Q$.},
  author       = {Ejdetjärn, Timmy},
  keyword      = {galaxies,gas,turbulence,interstellar medium,star formation,feedback,gravitational instability,local,high redshift},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observatory Examensarbeten},
  title        = {Investigating Gas Turbulence in Galactic Discs},
  year         = {2019},
}