Nahe Galaxien

Untersuchungen des interstellaren Mediums liefern wichtige Informationen über die physikalischen und chemischen Prozesse, die die Entwicklung von Galaxien vorantreiben.  Beobachtungen im Submillimeter Wellenlängenbereich, wie sie von APEX, Herschel ALMA und NOEMA durchgeführt werden, sind besonders wichtig, da sie das Reservoir an kaltem Gas aufspüren - das Material, aus dem neue Generationen von Sternen geboren werden.  Die Beziehungen zwischen den chemischen und physikalischen Eigenschaften des kalten molekularen Gases und der Sternentstehung sind zentrale Forschungsgebiete unserer Gruppe.

In der kältesten Phase besteht das interstellare Medium hauptsächlich aus Molekülen. Die Beobachtung von molekularen Emissionslinien und der Strahlung von Staubkörnern ermöglicht es uns, die Gaskinematik, die Kühlungsbilanz und die chemische Zusammensetzung der Molekülwolken zu messen. Die Umgebung, in der sich die kalten Wolken befinden, hat großen Einfluss auf ihre Fähigkeit, Sterne zu bilden. Die Beobachtung naher Galaxien gibt Aufschluss über die Bedingungen im lokalen Universum und liefert daher wichtige Hinweise für die Interpretation der Sternentstehung und Galaxienentwicklung im frühen Universum.

Der Apex Magellanic Cloud Survey 

CO(3-2) Emission in der Großen (links) und Kleinen (rechts) Magellanschen Wolke (rot), 
dargestellt auf der Herschel 250-Mikrometer Staubemission (grün) und der H_alpha Emission (blau). Die graue Kontur zeigt die beobachtete Abdeckung mit APEX Stand Oktober 2021.

Im lokalen Universum ist Sternentstehung ausschließlich mit Molekülwolken verbunden. Das Verständnis der Effizienz dieses Prozesses, der Bedingungen, unter denen die Sternentstehung stattfindet, und des Einflusses der Rückkopplung von neu gebildeten massereichen Sternen auf diesen Prozess ist ein entscheidendes Ziel der modernen Astrophysik.

Numerische Simulationen und Theorien haben durchweg gezeigt, dass das interstellare Medium stark filamentös sein sollte und die Sternentstehung eng mit selbst gravierenden Filamenten verbunden ist. Diese Strukturen können in großräumigen Durchmusterungen in der Milchstrasse identifiziert werden, aber in nahegelegenen Galaxien ist die räumliche Auflösung von Molekülwolkenstudien selbst mit ALMA typischerweise zu gering, um die relevanten räumlichen Skalen aufzulösen.

Mit ihrer Nähe von nur 50 kpc zu unseren nächsten Nachbarn bieten die Große und Kleine Magellansche Wolke ein einzigartiges Labor, um den Sternentstehungsprozess in kalten, dichten molekularen Kernen und Filamenten aufgrund der hohen räumlichen Auflösung von 4pc, die sogar mit dem APEX-Teleskop erreichbar ist, zu untersuchen. Das MPIfR führt derzeit mit seinen internationalen Partnern den Apex Magellanic Cloud Legacy Survey durch, um die Verteilung des dichten molekularen Gases in den Emissionslinien CO(3-2) und 13CO(3-2) mit dem 345-GHz LASMA 7 Kanal Array-Empfänger mit APEX zu kartieren. Die Kartierung hat eine Flächenabdeckung von 15 Grad2 und wird alle Hauptstaubkomplexe in der Großen und Kleinen Magellanschen Wolke bis zu einer molekularen Vollständigkeitsgrenze von 300 Msol abdecken.

Evolution und Unterdrückung der Sternentstehung in nahen Galaxien

Die Synergie zwischen IFU-CALIFA-, CO-CARMA- und HI-MasQue-Daten zeigt fehlendes HI- und CO-Gas im Zentrum der Galaxie aufgrund des Einflusses des starken aktiven galaktischen Kerns (AGN).

Die Entwicklung von Galaxien wird nicht nur von der Sternentstehung bestimmt, sondern auch von der Art und Weise, wie die Sternentstehung endet. Die  „Unterdrückung der Sternenbildung“, die mit der Umwandlung einer blauen Spirale in eine rote elliptische Galaxie einhergeht, kann durch eine Vielzahl von Phänomenen verursacht werden, die mit der Entfernung, Verminderung oder Stabilisierung des Rohstoffes der  Sternentstehungs verbunden sind: dem kalten Gas.

Im Rahmen der CALIFA-Durchmusterung (die eine Stichprobe von ~1000 Galaxien mit optischen IFU Beobachtungen beinhaltet) sind wir an einer Reihe großer Beobachtungsprogramme beteiligt, um die Eigenschaften und die Verteilung der molekularen und atomaren Gase in Galaxien in verschiedenen Phasen ihrer Entwicklung zu untersuchen. Diese Programme umfassen Beobachtungen mehrerer Teleskope wie APEX, CARMA, NOEMA, ACA, GBT (das EDGE-Projekt) und Effelsberg, VLA, GMRT (das MasQue-Projekt) und werden einen beispiellosen Datensatz liefern, um die Entwicklung von Galaxien im nahen Universum zu studieren.

Mit diesen Daten haben wir gezeigt, dass Galaxien ihre Sternentstehung nach bestimmten Mustern unterdrücken, aber AGNs (die bisher als eines der wichtigsten Akteure bei diesem Prozess gelten) scheinen die globalen Eigenschaften der Galaxie nicht signifikant zu verändern. Dennoch scheinen die die AGNs umgebenden Regionen im Vergleich den äußeren Bereichen der Galaxien einen geringeren Gehalt an molekularem und atomarem Gas zu haben. Auf globaler Ebene haben wir gezeigt, dass der zunehmende Inaktivität von Galaxien hauptsächlich durch die Umwandlung des Gases in Sterne (die sogenannte Sternentstehungs Effizienz) und nicht durch die Abwesenheit von Gas reguliert wird. Galaktische großräumige Dynamik (wie Umlaufgeschwindigkeit und Scherung) und säkulare Entwicklung (angetrieben durch Spiralarm-, Bar- und Bulge-Wechselwirkungen) scheinen einen grossen Einfluss auf die Sternentstehungs Effizienz in verschiedenen Regionen der Galaxien zu haben.

Die ALCHEMI Studie

Geschwindigkeits integrierte Karten mehrerer Moleküllinien von HCO+, HOC+ und H13CO+ in NGC253, des ALCHEMI-Projekts (Nanase et al. 2021). Die HOC+-Emission ist ein guter Indikator für Super-Blasen im interstellaren Medium, die entweder von Supernovae oder sich ausdehnenden HII-Regionen erzeugt werden. Seine Häufigkeit in Bezug auf HCO+ wird in Regionen verstärkt, die von kosmischen Strahlen und/oder UV-Photonen dominiert werden.

Das große Beobachtungsprogramm ALCHEMI verwendete ALMA, um die Central Molecular Zone (CMZ) der ikonischen Starburst-Galaxie NGC253 in einem nahezu zusammenhängenden 289 GHz breitem Frequenzbereich zwischen 84 und 373 GHz mit einer 1,6"-Winkelauflösung (28 pc) und einer Empfindlichkeit von 30-50 mK  abzubilden. Die bereits veröffentlichten Ergebnisse dieses beispiellosen hochauflösenden und hochempfindlichen extragalaktischen Projekts sind:  1) die ersten extragalaktischen Nachweise einiger komplexer organischer Moleküle (COMs), wie C2H5OH, HOCN und HC3HO. 2) Neu entdeckte vibrations angeregte  Linien von HCN. HNC und HC3N, die aus den heißen Kernen von sternbildenden Riesenmolekülwolken (GMCs) stammen (Martin et al. 2021); 3)  die Quantifizierung der Energierückkopplung durch die Sternentstehung gemessen durch das HCO+/HOC+-Verhältnis (Harada et al. 2021) sowie 4) die Verteilung und Herkunft von C2H, einem Indikator von Photonendissoziationsregionen (PDRs) und hohen Ionisationsraten der kosmischen Strahlung (Holdship et al. 2021).  Im Rahmen des ALCHEMI-Projekts werden derzeit viele weitere Studien durchgeführt, die praktisch alle physikalischen und chemische Aspekte dieser Galaxie sowie einen Vergleich mit den Eigenschaften der Milchstraße umfasst. ALCHEMI erhebt auch einzigartige Vergleichsdaten zum besseren Verständnis sternbildender Galaxien im frühen Universum.

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