Magnetic Phenomena of the Interstellar Medium in Theory and Observation

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2778-5
Title: Magnetic Phenomena of the Interstellar Medium in Theory and Observation
Author: Väisälä, Miikka
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Division of Particle Physics and Astrophysics
Aalto University, School of Science, Department of Computer Science, ReSoLVE Centre of Excellence
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Report series in Astronomy - URN:ISSN:1799-3032
Abstract: Magnetic fields and turbulent flows pervade the interstellar medium on all scales. The magnetic turbulence that emerges on the large scales cascades towards the small scales where it influences molecular cloud structure, and star formation within the densest and coldest clumps of the clouds. Active star formation results in supernovae, and the supernova-driven turbulence takes part in the galactic dynamo process leading to the inverse cascade of turbulent energy. Such a process is one example of self-organisatory processes in the interstellar medium where order arises from chaos. Supernovae also induce and influence other important processes in the galactic disks, and this thesis examines some of them. Differentially rotating disk systems, such as galaxies, are prone to magnetorotational instability, where weak magnetic fields destabilise the otherwise hydrodynamically stable disk system, and lead to angular momentum transport outwards. However, magnetorotational instability can be quenched or even damped by another source of turbulence such as supernovae. As both magnetorotational instability and supernovae are capable of producing dynamo effects, the galactic large-scale magnetic fields are proposed to arise as an interplay of these two effects. In addition, supernovae are observed to be able to generate and sustain large-scale flows in galaxies through the anisotropic kinetic alpha effect. Thermodynamical effects have a significant influence on the properties of turbulence. Due to baroclinicity, the supernova-driven turbulence is highly vortical in nature. These types of flows produce a narrow, non-Gaussian velocity distribution with extended wings and an exponential magneti field distribution. Such effects should be taken into account when interstellar turbulence is parametrized in the form of initial conditions and forcing functions for the purpose of making smaller scale models of molecular cloud formation. The Gaussianity of the magnetic field fluctuations is a common assumption, for example, when fitting magnetic field models to explain large-scale polarization maps of the interstellar dust, and our results suggest that such assumptions should require more examination. To study these phenomena, a combination of numerical approaches and observational methods are needed. Exploring physics of turbulence requires the tools of high-performance computing and precise, high-order numerical schemes. Because of the rapidly increasing demands of computation, novel approaches have to be investigated. To improve computational efficiency this thesis shows how the sixth-order finite difference method can be accelerated with the help of graphics processing units. The properties of the interstellar medium can be examined best by the emission of atomic/molecular gas and by the emission, absorption and scattering of interstellar dust. Looking at small-scale phenomena, molecular line emission from cold prestellar cores is explored. More large-scale effects are examined with the help of polarized dust emission, by combining radiative transfer calculations with the results of a supernova-driven model of the interstellar medium, including a realistic multiphase structure and dynamo-generated small- and large-scale magnetic fields. This thesis contains seven papers. Of these, three papers examine the processes driving turbulence in differentially rotating disks via numerical modelling, while one paper looks into how graphics processing units can accelerate such calculations. Observationally, two papers study cold cores and early stages of star formation with the help of radio telescopes, and one paper examines how supernova-driven turbulence is reflected in the large-scale emission of diffuse interstellar dust. Keywords: Magnetohydrodynamics, interstellar medium, galactic dynamo, polarization, star formation, GPGPUMagneettikentät ja turbulenttiset virtaukset ovat osallisina tähtienvälisen aineen kaikissa mittakaavoissa. Sellaisen magneettisen turbulenssin vaikutus, joka lähtee liikkeelle suurissa mittakaavoissa, ryöppyää pieniin mittakaavoihin ja siten vaikuttaa sekä molekyylipilvien muodostumiseen että tähtien syntymiseen näiden pilvien tiheissä ja kylmissä ytimissä. Tähtien synty johtaa supernoviin ja supernovien ajama turbulenssi ottaa osaa galaktisen dynamon toimintaan, mikä siirtää energiaa pienestä mittakaavasta suureen. Sellaiset prosessit ovat esimerkki ilmiöistä tähtienvälisessä aineessa, joissa kaoottiset olosuhteet synnyttävät järjestyneitä rakenteita. Supernovat myös vaikuttavat muihin prosesseihin galaksien kiekkojen sisällä, ja tämä väitöskirja tarkastelee joitakin niistä. Differentiaalisesti pyörivät kiekkojärjestelmät, kuten galaksit, voivat muuttua epävakaiksi heikon magneettikentän aiheuttamien jännitysten johdosta. Heikot magneettikentät pyörivissä kiekoissa tekevät muuten virtauksiltaan vakaan kiekon epävakaaksi, mikä johtaa liikemäärämomentin siirtymiseen kiekon ulko-osiin ja turbulenssin kasvuun. Kuitenkin tämä ilmiö saattaa vaimeta tai jopa sammua kokonaan, jos jokin toinen turbulenssin lähde on paikalla - kuten vaikka yllä mainitut supernovat. Koska sekä tämä magnetorotationaalinen epätasapaino että supernovat kykenevät aikaansaamaan dynamoilmiön, syntyvät galaktiset suuren mittakaavan magneettikentät mahdollisesti molempien ilmiöiden vuorovaikutuksen yhdistelmänä. Tämän lisäksi supernovaräjähdysten havaintaan luovan ja ylläpitävän suuren mittakaavan virtauksia epäisotrooppisen kineettisen alfaefektin kautta. Termodynaamisilla efekteillä on merkittävä vaikutus turbulenssin ominaisuuksiin. Väitöskirjassa esitetty tutkimus osoittaa, että supernovien ajama turbulenssi on luonteeltaan voimakkaan pyörteistä, kun lämpöenergian tarkastelu otetaan asianmukaisesti huomioon. Sellaiset virtaukset tuottavat kapean, leveäsiipisen nopeusjakauman ja eksponentiaalisen muotoisen magneettikentän jakauman, mikä olisi hyvä ottaa huomioon, kun tähtienvälistä turbulenssia asetetaan simulaatioiden alkuehdoiksi, pakkovoimafunktioksi molekyylipilvimalleissa, tai käytetään olettamaan magneettikentän fluktuaatioiden jakaumaa havaintoja analysoidessa. Ilmiöiden tutkimiseen vaaditaan yhdistelmä laskennallisia malleja ja erilaisia havaintomenetelmiä. Magnetohydrodynaamisten simulaatioiden lisäksi, laskennan tehostamisen vuoksi, tässä työssä esitetään, kuinka kuudennen kertaluvun erottelumenetelmää voidaan tehostaa grafiikkaprosessorien avulla virtausmekaniikassa. Havaintojen tasolla, pienissä mittakaavoissa tutkitaan kylmien molekyylipilviytimien säteilyä radioteleskoopeilla. Suurissa mittakaavoissa tarkastellaan tähtienvälisien pölyn polarisaatiota yhdistämällä säteilynkuljetussimulaatioita supernovien ajaman, turbulenttisen tähtienvälisen aineen malliin. Mainittuja aiheita käsitellään kokonaisuudessaan seitsemän julkaisun verran. Avainsanat: Magnetohydrodynamiikka, tähtienvälinen aine, galaktinen dynamo, polarisaatio, tähtien synty, GPGPU
URI: URN:ISBN:978-951-51-2778-5
http://hdl.handle.net/10138/225177
Date: 2017-11-01
Subject: Polarization
Magnetohydrodynamics
Interstellar medium
Galactic dynamo
Star formation
GPGPU
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Magnetic.pdf 3.071Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record