Anne-Katharina Jappsen

• We investigate the rotational and thermal properties of star-forming molecular clouds using hydrodynamic simulations. Stars form from molecular cloud cores by gravoturbulent fragmentation. Understanding the angular momentum and the thermal evolution of cloud cores thus plays a fundamental role in completing the theoretical picture of star formation. This is true not only for current star formation as observed in regions like the Orion nebula or the ρ-Ophiuchi molecular cloud but also for the formation of stars of the first or second generation in the universe. In this thesis we show how the angular momentum of prestellar and protostellar cores evolves and compare our results with observed quantities. The specific angular momentum of prestellar cores in our models agree remarkably well with observations of cloud cores. Some prestellar cores go into collapse to build up stars and stellar systems. The resulting protostellar objects have specific angular momenta that fall into the range of observed binaries. We find that collapse inducedWe investigate the rotational and thermal properties of star-forming molecular clouds using hydrodynamic simulations. Stars form from molecular cloud cores by gravoturbulent fragmentation. Understanding the angular momentum and the thermal evolution of cloud cores thus plays a fundamental role in completing the theoretical picture of star formation. This is true not only for current star formation as observed in regions like the Orion nebula or the ρ-Ophiuchi molecular cloud but also for the formation of stars of the first or second generation in the universe. In this thesis we show how the angular momentum of prestellar and protostellar cores evolves and compare our results with observed quantities. The specific angular momentum of prestellar cores in our models agree remarkably well with observations of cloud cores. Some prestellar cores go into collapse to build up stars and stellar systems. The resulting protostellar objects have specific angular momenta that fall into the range of observed binaries. We find that collapse induced by gravoturbulent fragmentation is accompanied by a substantial loss of specific angular momentum. This eases the "angular momentum problem" in star formation even in the absence of magnetic fields. The distribution of stellar masses at birth (the initial mass function, IMF) is another aspect that any theory of star formation must explain. We focus on the influence of the thermodynamic properties of star-forming gas and address this issue by studying the effects of a piecewise polytropic equation of state on the formation of stellar clusters. We increase the polytropic exponent γ from a value below unity to a value above unity at a certain critical density. The change of the thermodynamic state at the critical density selects a characteristic mass scale for fragmentation, which we relate to the peak of the IMF observed in the solar neighborhood. Our investigation generally supports the idea that the distribution of stellar masses depends mainly on the thermodynamic state of the gas. A common assumption is that the chemical evolution of the star-forming gas can be decoupled from its dynamical evolution, with the former never affecting the latter. Although justified in some circumstances, this assumption is not true in every case. In particular, in low-metallicity gas the timescales for reaching the chemical equilibrium are comparable or larger than the dynamical timescales. In this thesis we take a first approach to combine a chemical network with a hydrodynamical code in order to study the influence of low levels of metal enrichment on the cooling and collapse of ionized gas in small protogalactic halos. Our initial conditions represent protogalaxies forming within a fossil HII region -- a previously ionized HII region which has not yet had time to cool and recombine. We show that in these regions, H2 is the dominant and most effective coolant, and that it is the amount of H2 formed that controls whether or not the gas can collapse and form stars. For metallicities Z <= 10<sup>-3 Zsun, metal line cooling alters the density and temperature evolution of the gas by less than 1% compared to the metal-free case at densities below 1 cm<sup>-3 and temperatures above 2000 K. We also find that an external ultraviolet background delays or suppresses the cooling and collapse of the gas regardless of whether it is metal-enriched or not. Finally, we study the dependence of this process on redshift and mass of the dark matter halo.…
• Sterne sind fundamentale Bestandteile des Kosmos. Sie entstehen im Inneren von turbulenten Molekülwolken, die aus molekularem Wasserstoffgas und Staub bestehen. Durch konvergente Strömungen in der turbulenten Wolke bilden sich lokale Dichtemaxima, die kollabieren, falls die zum Zentrum der Wolke gerichtete Schwerkraft über die nach außen gerichteten Druckkräfte dominiert. Dies ist der Fall, wenn die Masse des Gases einen kritischen Wert überschreitet, der Jeansmasse genannt wird. Die Jeansmasse hängt von der Dichte und der Temperatur des Gases ab und fällt im isothermen Fall mit steigender Dichte stetig ab, so dass während des Kontraktionsprozesses immer kleinere Teilmassen instabil werden. Es kommt zur Fragmentierung der Molekülwolke zu protostellaren Kernen, den direkten Vorläufern der Sterne. In der vorliegenden Arbeit werden die zeitliche Entwicklung des Drehimpulses der protostellaren Kerne und der Einfluss der thermischen Eigenschaften des Gases mit Hilfe von dreidimensionalen hydrodynamischen Simulationen untersucht. HierbeiSterne sind fundamentale Bestandteile des Kosmos. Sie entstehen im Inneren von turbulenten Molekülwolken, die aus molekularem Wasserstoffgas und Staub bestehen. Durch konvergente Strömungen in der turbulenten Wolke bilden sich lokale Dichtemaxima, die kollabieren, falls die zum Zentrum der Wolke gerichtete Schwerkraft über die nach außen gerichteten Druckkräfte dominiert. Dies ist der Fall, wenn die Masse des Gases einen kritischen Wert überschreitet, der Jeansmasse genannt wird. Die Jeansmasse hängt von der Dichte und der Temperatur des Gases ab und fällt im isothermen Fall mit steigender Dichte stetig ab, so dass während des Kontraktionsprozesses immer kleinere Teilmassen instabil werden. Es kommt zur Fragmentierung der Molekülwolke zu protostellaren Kernen, den direkten Vorläufern der Sterne. In der vorliegenden Arbeit werden die zeitliche Entwicklung des Drehimpulses der protostellaren Kerne und der Einfluss der thermischen Eigenschaften des Gases mit Hilfe von dreidimensionalen hydrodynamischen Simulationen untersucht. Hierbei konzentrieren wir uns auf zwei fundamentale Probleme, die jede Theorie der Sternentstehung lösen muss: das "Drehimpulsproblem" und die Massenverteilung der Sterne (IMF). Die thermischen Eigenschaften des Gases sind nicht nur von Bedeutung für die derzeitige Sternentstehung in beobachtbaren Regionen wie z.B. der Orionnebel oder die ρ-Ophiuchi Molekülwolke, sondern auch für die Entstehung von Sternen der ersten und zweiten Generation im frühen Universum. Wir betrachten die Entwicklung des spezifischen Drehimpulses von protostellaren Kernen und vergleichen unsere Resultate mit beobachteten Werten. Wir finden eine gute Übereinstimmung zwischen den spezifischen Drehimpulsen der protostellaren Kerne in unserem Model und denen der beobachteten Kerne in Molekülwolken. In unseren Simulationen geht der gravitative Kollaps mit einem Verlust an spezifischem Drehimpuls einher. Somit kann das Drehimpulsproblem der Sternentstehung auch ohne Betrachtung der Magnetfelder entschärft werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der thermodynamischen Eigenschaften des Gases auf die Massenverteilung der Sterne, die aus diesem Gas entstehen. Wir verwenden eine stückweise polytrope Zustandgleichung, die die Temperatur-Dichte-Beziehung genauer beschreibt. Wir zeigen, dass Veränderungen in der Zustandgleichung bei einer bestimmten Dichte einen direkten Einfluss auf die charakteristische Massenskala der Fragmentierung haben und somit den Scheitelpunkt der Sternmassenverteilung in der solaren Umgebung bestimmen. Des Weiteren sind die thermodynamischen Eigenschaften des Gases auch für die Sternentstehung im frühen Universum von Bedeutung. Das primordiale Gas, aus dem die ersten Sterne gebildet wurden, enthält keine Metalle (Elemente schwerer als H oder He), da diese erst durch Kernreaktionen in Sternen gebildet werden. In dieser Arbeit untersuchen wir den Einfluss einer geringen Metallizität auf das Kühlungs- und Kollapsverhalten von Gas, aus welchem die zweite Generation von Sternen entstanden ist. Dieses Gas ist anfänglich heiß und ionisiert und befindet sich in kleinen protogalaktischen Halos aus dunkler Materie. Unsere hydrodynamischen Simulationen, die auch ein adäquates chemisches Netzwerk beinhalten, zeigen, dass die Temperatur- und Dichteentwicklung des Gases während der Anfangsphase des Kollapses durch eine geringe Metallizität im Gas kaum beeinflusst wird. Wir stellen weiterhin fest, dass externe ultraviolette Strahlung den Kühlprozess des Gases ohne Metallizität und des Gases mit geringer Metallizität gleichermaßen verzögert oder sogar verhindert. Außerdem untersuchen wir den Einfluss der Rotverschiebung und der Masse des Halos aus dunkler Materie auf die Kühlung und den Kollaps des Gases.…