Ionization and Triggered Star Formation in Turbulent Molecular Clouds

Einige der spektakulärsten Beobachtungen unserer Milchstrasse zeigen die filamentären Strukturen in der Umgebung von heissen massereichen O-Sternen. Sobald diese Sterne beginnen zu leuchten, ionisiert ihre ultraviolette Strahlung das umgebende Gas und erzeugt eine heisse HII-Region. Das erhitzte Gas expandiert in die umgebende kalte Molekülwolke. Die dabei entstehende Schockwelle komprimiert das kalte Gas in die auffälligen Strukturen. An den Spitzen dieser Strukturen entstehen neue, masseärmere Sterne. Bis heute ist die präzise Entstehung dieser Regionen nicht vollständig verstanden. Ziel dieser Arbeit ist die Simulation dieser Entwicklung anhand hydrodynamischer Methoden. Dazu wird ionisierende Strahlung in einen Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Code namens VINE, der vollständig OpenMP-parallelisiert ist, implementiert. Für die Berechnung der Ionisation wird angenommen, dass die betrachtete Region so weit von dem Stern entfernt ist, dass die Strahlung näherungsweise plan-parallel eintrifft. Zunächst wird die Eintrittsfläche in gleich grosse Strahlen unterteilt. Dann wird die Ionisation entlang dieser Strahlen propagiert. Die neue Implementation ist vollständig parallelisiert und trägt den Namen iVINE. Zuerst wird anhand mehrerer Tests die Übereinstimmung von iVINE mit bekannten analytischen Lösungen gezeigt. Danach wird der durch Ionisation induzierte gravitative Kollaps einer marginal stabilen Sphäre untersucht. In allen drei simulierten Fällen mit unterschiedlichem einfallenden ionisierenden Fluss kollabiert die Sphäre. Zusätzlich kann die beobachtete Tendenz, dass jüngere Sterne weiter entfernt von der Quelle der Ionisation entstehen, bestätigt werden. Desweiteren werden Simulationen über den Einfluss ionisierender Strahlung auf turbulente Molekülwolken durchgeführt. Hier zeigt sich, dass die beobachteten, komplexen Strukturen durch die Kombination von Ionisation, Hydrodynamik und Gravitation reproduziert werden können. An den Spitzen der Strukturen wird das Gas stark komprimiert und kollabiert unter dem Einfluss seiner Eigengravitation, genau wie beobachtet. Gleichzeitig treibt die ionisierende Strahlung die Turbulenz im kalten Gas weit stärker als bisher angenommen. Anhand von einer Parameterstudie folgt, dass die entstehenden Strukturen kritisch von dem jeweiligen Anfangsstadium der Wolke zur Zeit der Zündung des O-Sterns abhängen. Dies ergibt die einmalige Gelegenheit, zusätzliche Informationen über Molekülwolken, die ansonsten schwierig zu beobachten sind, in den von O-Sternen stark illuminierten Regionen zu erhalten. Die Implementation ionisierender Strahlung im Rahmen dieser Doktorarbeit ermöglicht die Untersuchung der Einwirkung massereicher Sterne auf ihre Umgebung in bislang Unerreichter Genauigkeit. Die durchgeführten Simulationen vertiefen unser Verständnis der Wechselwirkung von Turbulenz und Gravitation im Rahmen der Sternentstehung. Weitere erstrebenswerte Schritte wären die genauere Berücksichtigung der Kühlprozesse innerhalb der Molekülwolke und die Implementation der Winde massereicher O-Sterne