Μελέτη της δομής των διαστρικών μοριακών νεφών σε διαφορετικές χωρικές κλίμακες: σύγκριση θεωρίας και παρατηρήσεων

Abstract

This thesis is a multilateral and multiscale study of the structure of molecular clouds and the importance of magnetic fields in shaping them. First, we concentrate in the translucent parts of molecular clouds where elongated, quasi-periodic, magnetic-field aligned structures, termed "striations'', have been recently discovered. We perform a series of numerical experiments and we find that striations are formed due to compressible fast magnetosonic waves. Using the properties of these magnetohydrodynamic waves revealed by the presence of striations in an isolated molecular cloud we reconstruct its 3D shape through a normal-mode analysis. Turning our attention to the smallest, densest parts of molecular clouds we study the relation between the magnetic field and gas density in contracting prestellar cores. We find that previous studies severely underestimated the observational uncertainties in gas density. By properly accounting for these uncertainties and performing an independent analysis of the projected shapes of cores, we show that the data are in agreement with the predictions of the ambipolar diffusion theory of star formation. Driven by the need for accurate density estimates we have also performed numerical simulations of collapsing prestellar cores coupled with non-equilibrium chemical modelling and we have developed a method for probing the 3-dimensional shapes of cores using two-dimensional molecular column density maps. Finally, in order to directly compare our numerical models to observations we have developed a state-of-the-art, non local thermodynamic equilibrium (non-LTE) line radiative transfer code.

Η παρούσα διατριβή είναι μία πολύπλευρη και σε πολλές διαφορετικές χωρικές κλίμακες, μελέτη των δομών των μοριακών νεφών και της σημασίας του μαγνητικού πεδίου στο σχηματισμό τους. Αρχικά μελετούμε τη δημιουργία νεοανακαλυφθέντων, νηματοειδών, ημιπεριοδικών δομών, ονόματι "striations", οι οποίες απατούνται στις περιοχές των μοριακών νεφών με χαμηλή πυκνότητα και είναι παράλληλες με το μαγνητικό πεδίο. Μέσω δισδιάστατων και τρισδιάστατων προσομοιώσεων μαγνητοϋδροδυναμικής, εξετάσαμε όλα τα πιθανά ενδεχόμενα για τη δημιουργία των "striations" και βρήκαμε ότι η μόνη δόκιμη εξήγηση για το σχηματισμό τους, προκύπτει μέσω της διέγερσης γρήγορων μαγνητοακουστικών κυμάτων. Στη συνέχεια, αξιοποιώντας το αποτελεσμά μας και δια μέσου της πρώτης στα χρονικά ανακάλυψης μας μιας περιοχής συντονισμού κυμάτων και των αρμονικών της συχνοτήτων σε ένα μοριακό σύννεφο, αναπαράγουμε την τρισδιάστατη δομή του.Κατόπιν, στρέφουμε την προσοχή μας στην δυναμική εξέλιξη των πιο πυκνών σημείων των μοριακών νεφών και τη σχέση ανάμεσα στο μαγνητικό πεδίο και στην πυκνότητα του αερίου σε καταρρέοντες προαστρικούς πυρήνες. Βρίσκουμε ότι οι παρατηρησιακές αβεβαιότητες στην πυκνότητα του αερίου είχαν υποτίμηθεί σε προηγούμενες μελέτες. Λαμβάνουμε υπόψη τις αβεβαιότητες σε αυτές τις μετρήσεις και αναλύοντας ανεξάρτητα τις δισδιάστατες προβολές των προαστρικών πυρήνων, βρίσκουμε ότι τα τα δεδομένα συμφωνούν με τις προβλέψεις της θεωρίας της αμφιπολικής διάχυσης. Με αφορμή την ανάγκη για ακριβείς εκτιμήσεις της πυκνότητας, προσομοιώνουμε επίσης την κατάρρευσης προαστρικών πυρήνων σε συνδυασμό με μοντελοποίηση της χημείας που τους συνοδεύει και αναπτύσουμε μία μέθοδο ανέυρεσης των τρισδιάστατων σχημάτων τους, χρησιμοποιώντας χάρτες πυκνότητας στήλης συγκεκριμένων μορίων. Τέλος, για να μπορούμε να συγκρίνουμε άμεσα τα αριθμητικά μας μοντέλα με τις παρατηρήσεις, αναπτύσσουμε έναν σύγχρονο κώδικα μεταφοράς διάδοσης της ακτινοβολίας μοριακών και ατομικών γραμμών σε συνθήκες μη-τοπικής θερμοδυναμικής ισορροπίας.