Dense Gas and Star Formation from the Milky Way to Nearby Galaxies

Abstract

Galaxies are the building blocks of the universe, which come in different sizes and shapes. Driven by dark matter, galaxies can interact and merge to form bigger galaxies across cosmic time. Across the cosmos, there are billions of galaxies that can be divided into two main classes - ellipticals and spirals. Spiral galaxies contain large gas reservoirs and show active star formation, while ellipticals are often depleted of gas and quenched in star formation. Galaxies contain hundreds of millions of stars that light up the universe. Everything between the stars is called the interstellar medium - a complex, turbulent subject containing various components and phases. One of the most interesting component are molecular clouds, which are the sites of star formation. <br /> Star formation is at the heart of many astrophysical processes from planet formation to galaxy evolution that is intimately connected to the cycle of matter in galaxies, dominating its energy budget and chemical composition. At the same time, star formation is one of the most complex processes in the universe and hence only poorly understood. One of the key science questions is whether star formation proceeds in a universal way across the universe or if it varies across galaxies. Gaining a deeper understanding of the process of star formation requires the study of molecular gas in galaxies, which is the fuel for star formation. While it is known that stars form in the densest parts of giant molecular clouds, it is not very well understood how fast and efficiently gas is converted into stars and if and how star formation varies between and within galaxies. <br /> Answering these questions requires observations of the densest parts of giant molecular clouds in a representative sample of star-forming galaxies. While hardly observable at optical wavelength, the interstellar medium shines at radio wavelength in molecular line emission. Only recently, radio observatories such as ALMA and the IRAM facilities have opened up a golden age of radio astronomy, allowing the detailed study of the interstellar medium in galaxies. This thesis makes use of the novel capabilities of ALMA to present the largest sample of dense gas observations across the local universe paired with multi-wavelength observations from state-of-the-art telescopes such as the VLT and JWST, allowing the most detailed view of dense gas and star formation in nearby galaxies. <br /> In this thesis, we connect dense molecular gas, star formation, galactic environment and molecular cloud properties in a comprehensive way using new observations of nearby, star-forming galaxies. We find that the efficiency of converting dense gas into stars is not the same across galaxies, but varies with galactic environment and dynamical properties of molecular clouds in agreement with turbulent clouds models. On the one hand, these findings suggest that more extreme, dense, high-pressure, turbulent environments, typically found towards galaxy centres, might convert dense gas less efficiently into stars compared to the discs where clouds tend to decouple from the environment and show higher star formation efficiencies. On the other hand, these results also indicate that the tracers used to infer the mass of dense gas might become less trustworthy in these extremer environments. Therefore, we test the capabilities and limitations of these dense gas tracers, using new radio observations of molecular clouds in the Milky Way that provide a robust, high-resolution view of the physical conditions of molecular clouds and their associated line emission. We find that typical extragalactic dense gas tracers can also trace lower-density gas, questioning their utilisation as robust tracers of dense gas. Nevertheless, we show that these tracers are still sensitive to density and hence powerful extragalactic tools.

<strong>Dichtes Gas und Sternentstehung in der Milchstraße und nahen Galaxien</strong> <br /> Galaxien sind die Bausteine des Universums, die in verschiedenen Größen und Formen vorkommen. Beeinflusst von dunkler Materie können Galaxien interagieren und verschmelzen, um im Laufe der kosmischen Zeit größere Galaxien zu bilden. Im gesamten Kosmos gibt es Milliarden von Galaxien, die in zwei Hauptklassen unterteilt werden können – elliptische und spiralförmige Galaxien. Spiralgalaxien enthalten große Gasreservoirs und zeigen aktive Sternentstehung, während elliptische Galaxien oft gasarm und in der Sternentstehung erloschen sind. Galaxien enthalten Hunderte Millionen von Sternen, die das Universum erleuchten. Alles zwischen den Sternen wird als interstellares Medium bezeichnet -- eine komplexe, turbulente Substanz, die verschiedene Komponenten und Phasen enthält. Eine der interessantesten Komponenten sind molekulare Wolken, in welchen Sternentstehung passiert. <br /> Die Sternentstehung steht im Zentrum vieler astrophysikalischer Prozesse von der Planetenbildung bis zur Galaxienentwicklung, die eng mit dem Materiekreislauf in Galaxien verbunden ist und das Energiebudget und die chemische Zusammensetzung dominiert. Gleichzeitig ist die Sternentstehung einer der komplexesten Prozesse im Universum und daher nur unzureichend verstanden. Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Fragen ist, ob die Sternentstehung im gesamten Universum auf eine universelle Weise abläuft oder ob sie von Galaxie zu Galaxie variiert. Ein tieferes Verständnis des Prozesses der Sternentstehung erfordert das Studium von molekularem Gas in Galaxien, das den Treibstoff für die Sternentstehung liefert. Während bekannt ist, dass Sterne in den dichtesten Teilen von riesigen Molekülwolken entstehen, ist es noch nicht gut verstanden, wie schnell und effizient Gas in Sterne umgewandelt wird und ob und wie sich die Sternentstehung zwischen und innerhalb von Galaxien unterscheidet. <br /> Um diese Fragen zu beantworten, sind Beobachtungen des dichten Gases von Molekülwolken in einer repräsentativen Stichprobe von sternbildenden Galaxien erforderlich. Im optischen Wellenlängenbereich kaum beobachtbar, leuchtet das interstellare Medium im Radiowellenbereich in Form von molekularer Linienemission. Erst kürzlich haben Radioobservatorien wie ALMA und die IRAM-Observatorien ein goldenes Zeitalter der Radioastronomie eingeläutet, das die detaillierte Untersuchung des interstellaren Mediums in Galaxien ermöglicht. Diese Arbeit nutzt die revolutionären Fähigkeiten von ALMA, um die größte Stichprobe von Beobachtungen des dichten Gases im lokalen Universum zu präsentieren. Kombiniert mit Beobachtungen von hochmodernen Teleskopen wie dem VLT und JWST, bildet diese Studie eines der detailliertesten Blicke auf dichtes Gas und Sternentstehung in nahegelegenen Galaxien. <br /> In dieser Arbeit werden dichtes molekulares Gas, Sternentstehung, galaktische Umgebung und die Eigenschaften von Molekülwolken auf umfassende Weise verknüft. Daber werden neue Beobachtungen von nahegelegenen, sternbildenden Galaxien verwendet. Wir finden, dass die Effizienz der Umwandlung von dichtem Gas in Sterne nicht in allen Galaxien gleich ist, sondern mit der galaktischen Umgebung und den dynamischen Eigenschaften von Molekülwolken in Übereinstimmung mit Modellen turbulenter Wolken variiert. Einerseits deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass in extremen, dichten, turbulenten Umgebungen mit hohem Druck, die typischerweise in Galaxienzentren zu finden sind, dichtes Gas weniger effizient in Sterne umgewandelt wird als in Galaxienscheiben, in denen sich die Molekülwolken von der Umgebung entkoppeln und höhere Sternentstehungseffizienzen zeigen. Andererseits weisen diese Ergebnisse auch darauf hin, dass die Indikatoren, die verwendet werden, um die Masse von dichtem Gas abzuleiten, in diesen extremeren Umgebungen weniger zuverlässig sein könnten. Daher testen wir die Fähigkeiten und Einschränkungen dieser Indikatoren für dichtes Gas unter Verwendung neuer Radiobeobachtungen von Molekülwolken in der Milchstraße, die einen robusten, hochauflösenden Blick auf die physikalischen Bedingungen von Molekülwolken und deren zugehörige Linienemission bieten. Wir stellen fest, dass typische extragalaktische Indikatoren für dichtes Gas auch Gas mit niedrigerer Dichte nachweisen können, was ihre Verwendung als robuste Indikatoren für dichtes Gas in Frage stellt. Nichtsdestotrotz zeigen wir, dass diese Indikatoren dennoch empfindlich auf Dichte reagieren und somit mächtige extragalaktische Werkzeuge sind.