Strukturgenerierung und Entwicklung im interstellaren Medium

• Antragsteller: Dr. Robert Simon
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316871866

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Zielsetzung von GENESIS war es, die relative Bedeutung von unterschiedlichen physikalischen Prozessen wie Gravitation, Turbulenz und Strahlung auf Sternentstehung im interstellaren Medium (ISM) besser zu verstehen. Dazu wurden Beobachtungsdaten im fernen Infrarot (FIR) von Staub, Kühllinien von ionisiertem Kohlenstoff (CII) und Sauerstoff (OI), sowie Moleküllinien wie Kohlenmonoxid (CO) verwendet. In enger Zusammenarbeit zwischen Mitgliedern im I. Physik. Institut, Universität zu Köln, dem Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux (LAB) und dem INRIA Institut in Bordeaux wurden neuartige Analysemethoden im Bereich der Multifraktalität entwickelt um Beobachtungen und Simulationen zu korrelieren. Mit diesem Ansatz wurde der Einfluss von Turbulenz und Schocks auf die Struktur des ISM besser identifiziert und verstanden. Dieser neue Formalismus wurde auf 2-dimensionale Staubdaten des Herschel Satelliten angewandt. Im Weiteren wurden auch schon existierende Methoden der Strukturanalyse von Gaswolken im ISM, wie die Delta-Varianz oder PDFs (Probability distribution functions), verwendet. Der Schwerpunkt der Arbeit in Köln lag auf der Beobachtung der FIR Kühllinien mit SOFIA (Stratospheric Observatory for Far-infrared Astronomy), deren Analyse und Interpretation, sowie der Korrelation mit CO Daten von bodengestützen Teleskopen. Die wichtigsten Ergebnisse und Highlights von GENESIS sind: • GENESIS hat den Erhalt des SOFIA Legacy Programmes FEEDBACK (PI. N. Schneider, Co-Is R. Simon, S. Bontemps) ermöglicht. Ca. 100 h Beobachtungszeit wurden für die 158 µm CII und 63 µm OI Linie in 11 Galaktischen Sternentstehungsregionen gewährt. Ca. 80% des Programmes sind beobachtet worden, bevor der Betrieb von SOFIA im September 2022 eingestellt wurde. Die wichtigsten Resultate sind die Entdeckung von expandierenden Schalen in CII, die eine schnellere Sternentstehung vorantreiben können, und die Identifizierung von schnellen atomaren Strömungen welche Molekülwolken formen. • GENESIS hat dazu beigetragen ein ALMA Keyprogram (ALMA-IMF, Co-Is S. Bontemps, T. Csengeri) zu erhalten, welches die initiale Massenverteilung von Sternentstehungsregionen auf sehr kleinen Skalen (<1 pc) studiert. • Ein ‚Highlight-paper‘ (mit cover page) in Astronomy & Astrophysics (Yahia et al. 2021) in dem ein Formalismus zur Charakterisierung von Multifraktalität im ISM vorgestellt wird. Wir zeigen am Beispiel der Musca Wolke, dass verschiedene physikalische Prozesse innerhalb dieser Region stattfinden um Filamente zu formen und dass diese anhand von unterschiedlichen fraktalen Dimensionen identifiziert werden können. • Die Doktorarbeit von Lars Bonne im Rahmen von GENESIS (Thema war Strukturbildung von dichtem Gas im ISM) hat zwei Preise gewonnen, den Nouvelle-Aquitaine Preis der Region Aquitanien und den NASA SOFIA Preis für die beste Doktorarbeit. • GENESIS hat eine sehr hohe Zahl von Veröffentlichungen (56) generiert und alle Themengebieten die im Antrag vorgestellt wurden abgedeckt. Der Wissenstand bezüglich der Struktur des ISM und charakteristische Skalen, PDFs, Filamentbildung, der Übergang von atomaren zu molekularem Wasserstoff in interstellaren Wolken, Eigenschaften des diffusen und dichten Gases, Einfluss von massereichen Sternen auf das ISM und Photonendominierte Regionen wurde deutlich erweitert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• First detection of a THz water maser in NGC 7538-IRS1 with SOFIA and new 22 GHz e-MERLIN maps. Astronomy & Astrophysics, 606 (2017, 10), A52.
  Herpin, F.; Baudry, A.; Richards, A. M. S.; Gray, M. D.; Schneider, N.; Menten, K. M.; Wyrowski, F.; Bontemps, S.; Simon, R. & Wiesemeyer, H.
  
• Anatomy of the massive star-forming region S106. Astronomy & Astrophysics, 617, A45.
  Schneider, N.; Röllig, M.; Simon, R.; Wiesemeyer, H.; Gusdorf, A.; Stutzki, J.; Güsten, R.; Bontemps, S.; Comerón, F.; Csengeri, T.; Adams, J. D. & Richter, H.
  
• Multifractal analysis of the interstellar medium: first application to Hi-GAL observations. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 481(1), 509-532.
  Elia, Davide; Strafella, Francesco; Dib, Sami; Schneider, Nicola; Hennebelle, Patrick; Pezzuto, Stefano; Molinari, Sergio; Schisano, Eugenio & Jaffa, Sarah E.
  
• Exposing the plural nature of molecular clouds. Astronomy & Astrophysics, 628, A33.
  Robitaille, J.-F.; Motte, F.; Schneider, N.; Elia, D. & Bontemps, S.
  
• How the power spectrum of dust continuum images may hide the presence of a characteristic filament width. Astronomy & Astrophysics, 626, A76.
  Roy, A.; André, Ph.; Arzoumanian, D.; Miville-Deschênes, M.-A.; Könyves, V.; Schneider, N.; Pezzuto, S.; Palmeirim, P. & Kirk, J. M.
  
• Formation of the Musca filament: evidence for asymmetries in the accretion flow due to a cloud–cloud collision. Astronomy & Astrophysics, 644 (2020, 11, 26), A27.
  Bonne, L.; Bontemps, S.; Schneider, N.; Clarke, S. D.; Arzoumanian, D.; Fukui, Y.; Tachihara, K.; Csengeri, T.; Guesten, R.; Ohama, A.; Okamoto, R.; Simon, R.; Yahia, H. & Yamamoto, H.
  
• The structure and characteristic scales of molecular clouds. Astronomy & Astrophysics, 642 (2020, 10), A177.
  Dib, Sami; Bontemps, Sylvain; Schneider, Nicola; Elia, Davide; Ossenkopf-Okada, Volker; Shadmehri, Mohsen; Arzoumanian, Doris; Motte, Frédérique; Heyer, Mark; Nordlund, Åke & Ladjelate, Bilal
  
• Description of turbulent dynamics in the interstellar medium: multifractal-microcanonical analysis. Astronomy & Astrophysics, 649, A33.
  Yahia, H.; Schneider, N.; Bontemps, S.; Bonne, L.; Attuel, G.; Dib, S.; Ossenkopf-Okada, V.; Turiel, A.; Zebadua, A.; Elia, D.; Kumar, Maji S.; Schmitt, F. G. & Robitaille, J.-F.
  
• Globules and pillars in Cygnus X. Astronomy & Astrophysics, 653, A108.
  Schneider, N.; Röllig, M.; Polehampton, E. T.; Comerón, F.; Djupvik, A. A.; Makai, Z.; Buchbender, C.; Simon, R.; Bontemps, S.; Güsten, R.; White, G.; Okada, Y.; Parikka, A. & Rothbart, N.
  
• Stellar feedback and triggered star formation in the prototypical bubble RCW 120. Science Advances, 7(15).
  Luisi, Matteo; Anderson, Loren D.; Schneider, Nicola; Simon, Robert; Kabanovic, Slawa; Güsten, Rolf; Zavagno, Annie; Broos, Patrick S.; Buchbender, Christof; Guevara, Cristian; Jacobs, Karl; Justen, Matthias; Klein, Bernd; Linville, Dylan; Röllig, Markus; Russeil, Delphine; Stutzki, Jürgen; Tiwari, Maitraiyee; Townsley, Leisa K. & Tielens, Alexander G. G. M.
  
• Searching for Converging Flows of Atomic Gas onto a Molecular Cloud. The Astrophysical Journal, 941(1), 62.
  Heyer, Mark; Goldsmith, Paul F.; Simon, Robert; Aladro, Rebeca & Ricken, Oliver
  
• Understanding star formation in molecular clouds. Astronomy & Astrophysics, 666 (2022, 10), A165.
  Schneider, N.; Ossenkopf-Okada, V.; Clarke, S.; Klessen, R. S.; Kabanovic, S.; Veltchev, T.; Bontemps, S.; Dib, S.; Csengeri, T.; Federrath, C.; Di, Francesco J.; Motte, F.; André, Ph.; Arzoumanian, D.; Beattie, J. R.; Bonne, L.; Didelon, P.; Elia, D.; Könyves, V.; ... & Ward-Thompson, D.
  
• Ionized carbon as a tracer of the assembly of interstellar clouds. Nature Astronomy, 7(5), 546-556.
  Schneider, Nicola; Bonne, Lars; Bontemps, Sylvain; Kabanovic, Slawa; Simon, Robert; Ossenkopf-Okada, Volker; Buchbender, Christof; Stutzki, Jürgen; Mertens, Marc; Ricken, Oliver; Csengeri, Timea & Tielens, Alexander G.G.M.