Shock Modelling (beendet)

  • Team

  • Prof. Frank Bertoldi (PI, AIfA)
  • Dr. Markus Albrecht (AIfA)
  • Dr. Sibylle Anderl (Grenoble)
  • Elisa Carrillo (AIfA)
  • Dr. Felipe Oliveira Alves de (AIfA)
  • Dr. Yujin Yang (AIfA)

Überblick

„Schockwellen sind überall im interstellaren Medium wo Sterne entstehen oder vergehen.“

Ein intuitives Verständnis davon, was Stoßwellen oder „Schocks“ sind, hat jeder, der in einem Actionfilm schon einmal die auf eine Explosion folgende Druckwelle beobachtet hat: Die Druckfront breitet sich mit großer Geschwindigkeit aus und hinterlässt eine Spur der Zerstörung. Ähnliches passiert im interstellaren Medium, wenn sich Materie mit Überschallgeschwindigkeit bewegt. Während bei Bewegungen mit Unterschallgeschwindigkeit vorauseilende Schallwellen das umgebende Medium „vorwarnen“ können und für eine rechtzeitigen Anpassung des Mediums an die Störung sorgen, geschieht die Konfrontation zwischen der sich bewegenden und der ruhenden Materie in schnellen Schocks unvorbereitet und damit entsprechend heftig. Das geschockte Material wird beschleunigt, verdichtet und aufgeheizt.

Im interstellaren Medium ist eine Vielzahl von Phänomenen und Prozessen mit solchen Stoßwellen verbunden. Zum Beispiel schocken junge Sterne ihre Umgebung durch Ausflüsse von Gas, Ionisationsfronten (C1), hervorgerufen durch die Strahlung massereicher Sterne, fressen sich mit Überschallgeschwindigkeit in Molekülwolken, und Supernovaexplosionen heizen mit gewaltigen Schockfronten das sie umgebende interstellare Medium auf. Durch die Erhitzung des geschockten Gases bildet sich eine sehr charakteristische Schock-Chemie aus, da chemische Reaktionen möglich werden, die in kaltem Gas aus energetischen Gründen nicht möglich sind. Gleichzeitig wird interstellarer Staub zerstört, so dass chemische Spezies, die in dichten, ruhigen Gaswolken im Staub gebunden sind, wieder in die Gasphase aufgenommen werden (C3). Das aufgeheizte Gas wird, abhängig von der Schockgeschwindigkeit, durch starke Emission in charakteristischen Spektrallinien gekühlt. All dies macht Schocks zu exzellenten Untersuchungsinstrumenten des interstellaren Mediums, da durch geeignete Modellierung der beobachteten Strahlung die Eigenschaften des geschockten Mediums und des zugrunde liegenden dynamischen Prozesses abgeleitet werden können.

Die Modellierung von Schockwellen ist allerdings aus verschiedenen Gründen sehr anspruchsvoll. Zum einen muss die komplizierte Wechselwirkung zwischen ablaufender Dynamik, vorliegendem Magnetfeld, Aufheizung und Kühlung, resultierender Chemie und ablaufenden Strahlungsprozessen in dem aus Gas und Staub bestehenden Medium ermittelt werden. Zum anderen muss die in das Modell eingehende Mikrophysik für einen sehr weiten Bereich verschiedener Dichten und Temperaturen korrekt beschrieben werden. „Spezifisch geht es darum, uns erst einmal eine vorher kaum existierende Expertise in der Modellierung von solchen Schockwellen anzueignen, mit der es uns möglich ist, Beobachtungen, die in anderen Teilprojekten des SFBs gewonnen wurden, zu interpretieren“, fasst Frank Bertoldi das Ziel des Projektes C2 zusammen.

Zurückgegriffen wurde dabei auf ein gängiges, numerisches Schockmodell, das sich seit den 80er Jahren vornehmlich in Frankreich und England in stetiger Weiterentwicklung befindet. Für dieses Modell wurde zunächst eine vereinfachte Beschreibung der Prozesse entwickelt, die auftreten, wenn Staubteilchen in Schocks miteinander kollidieren und zerkleinert werden. Diese Prozesse konnten daraufhin erstmalig auf ihren Einfluss auf die resultierende Molekülstrahlung hin untersucht werden. Für Stoßwellen in sehr dichtem Gas, wie es beispielsweise bei der Entstehung massereicher Sterne auftritt, stellte sich die Berücksichtigung dieser Prozesse als unbedingt erforderlich heraus. Daneben wurde eine Methode entwickelt, eine große Anzahl verschiedener Schockmodelle effizient mit Beobachtungen von Schocks in Molekülwolken zu vergleichen. Diese Methode wurde auf Beobachtungen von zwei verschiedenen Supernovaüberresten mit dem APEX Teleskop und dem Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie SOFIA angewendet (A3), so dass Schockgeschwindigkeiten, Dichten und die Stärke des lokalen Magnetfelds in den geschockten Regionen ermittelt werden konnten. Diese Doppelstrategie der Verbesserung numerischer Schockmodelle einerseits, und deren Anwendung auf vorliegende Beobachtungsdaten andererseits wird auch in Zukunft die Forschung in Projekt C2 bestimmen.

Ausgewählte Publikationen


 

In 2014
Galametz, M., Albrecht, M., Kennicutt, R., Aniano, G., et al. 2014, MNRAS, 439, 2542: Dissecting the origin of the submillimetre emission in nearby galaxies with Herschel and LABOCA (co-author: Bertoldi)

In 2013
Anderl, S., Guillet, V., Pineau des Forêts, G., & Flower, D. R. 2013, "Shocks in dense clouds – IV. Effects of grain-grain processing on molecular line emission", A&A, 556, 69

In 2012
Gusdorf, A., Anderl, S., Güsten, R., Stutzki, J., Hübers, H.-W., Hartogh, P., Heymick, S., & Okada, Y. 2012, "Probing magnetohydrodynamic shocks with high-J CO observations: W28F", A&A, 542, L19

Galametz, M., Kennicutt, R. C., Albrecht, M., Aniano, G., et al. 2012, MNRAS, 425, 763: Mapping the cold dust temperatures and masses of nearby KINGFISH galaxies with Herschel (co-author: Bertoldi)

Xilouris, E. M., Tabatabaei, F. S., Boquien, M., Kramer, C., et al. 2012, A&A, 543, A74: Cool and warm dust emission from M 33 (HerM33es) (co-author: Bertoldi, Anderl)

Padovani, M., Brinch, C., Girart, J. M., Jorgensen, J. K., et al. 2012, A&A, 543, A16: Adaptable radiative transfer innovations for submillimetre telescopes (ARTIST). Dust polarisation module (DustPol) (co-author: Bertoldi)

Combes, F., Boquien, M., Kramer, C., Xilouris, E. M., et al. 2012, A&A, 539, A67: Dust and gas power spectrum in M 33 (HERM33ES) (co-author: Bertoldi, Albrecht)

Alves, F. O., Vlemmings, W. H. T., Girart, J. M., et al. 2012, A&A, 542, A14: The magnetic field of IRAS 16293-2422 as traced by shock-induced H 2 O masers