German Title: Das räumlich aufgelöste Star Formation Law in nahen Galaxien

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Abstract

This thesis presents a comprehensive analysis of the relationship between gas and star formation (SF) at sub-kpc resolution in a large sample of nearby galaxies. The analysis is based on recent very high quality radio, infrared and UV data. Key to this thesis are new, sensitive and high resolution atomic gas maps from "The HI Nearby Galaxy Survey" (THINGS). A combination of these multiwavelength data are used to study the gas-SF relation across the H2–dominated centers of the spirals as well as their HI–dominated outskirts and HI–rich late type/dwarf galaxies. For the spiral galaxies, a Schmidt-type power law with index N = 1.0 ± 0.2 relates star formation rate and H2. This implies that H2 forms stars at a constant efficiency, i.e. star formation rate per unit gas, in spirals. Most galaxies show little or no correlation between the star formation rate and HI. The star formation efficiency is observed to decrease with increasing radius in the spirals, while the dwarf galaxies in our sample display star formation efficiencies similar to those found in the outer optical disks of the spirals. There is a sharp saturation of HI at a certain column density in both the spiral and dwarf galaxies. In the case of spirals, gas in excess of this limit is observed to be molecular. The decreasing star formation efficiency is observed to extend smoothly from the optical disk into the outskirts of galaxies. In this outer regime, SF is observed to decline 4 times more quickly than HI. As a result, the time that it takes SF to consume the gas reservoir is ~10 times longer in the outer disks, corresponding to about a Hubble time, than in the centers of spiral galaxies. For very low HI columns, which are typically found at large radii, the depletion time is even longer, suggesting that SF at such low HI columns may be suppressed by inhospitable conditions in the interstellar medium.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurde mittels neuer Radio-, Infrarot- und UV-Daten eine umfassende Analyse der Beziehung zwischen Gas und Sternentstehung auf Skalen unterhalb eines Kiloparsecs in einer grossen Anzahl naher Galaxien durchgeführt. Entscheidend für die Ergebnisse dieser Arbeit sind hochauflösende Radiokarten des atomaren Wasserstoffs (HI), die im Rahmen des "THINGS" Projekts gewonnen wurden ("The HI Nearby Galaxy Survey"). Durch kombinieren dieser Daten verschiedener Wellenlängen konnte die Beziehung zwischen dem Gas und Sternentstehung, ausgehend von den von molekularem Wasserstoffgas (H2) dominierten Zentren der Spiralgalaxien bis in die von HI dominierten Aussenbereiche (sowie in den HI dominierten Zwerggalaxien), untersucht werden. In den Spiralgalaxien zeigt sich, dass die Sternentstehungsrate mit dem molekularen Wasserstoffgas über ein Potenzgesetz ("Schmidt Gesetz") mit einem Exponenten N = 1.0 ± 0.2 verbunden ist. Daraus folgt, dass in den Spiralgalaxien H2 mit konstanter Effizienz in Sterne umgewandelt wird. HI ist jedoch für die meisten Galaxien nicht mit der Sternentstehungsrate korreliert. Es zeigt sich, dass die Effizienz mit der in Spiralgalaxien Gas in Sterne umgewandelt wird mit zunehmendem Abstand vom Zentrum der Galaxie abnimmt. Die Effizienz der Sternentstehung in Zwerggalaxien ist dabei ähnlich zu jener in den äusseren Bereichen der stellaren Scheiben von Spiralgalaxien. Es zeigt sich ferner ein deutlicher Sättigungseffekt des atomaren Wasserstoffs bei einer bestimmten HI Säulendichte, und zwar in Spiral- und Zwerggalaxien gleichermassen. Oberhalb dieser Schwelle kommt das Wasserstoffgas fast ausschliesslich in molekularer Form vor. Die abnehmende Effizienz der Sternentstehung setzt sich bis in die Aussenbereiche der Galaxien fort. In diesen Aussenbereichen nimmt die Sternentstehungsrate etwa vier mal so schnell ab wie der atomare Wasserstoff. Das führt dazu, dass die Zeit, die benötigt würde um den gesamten Vorrat an Gas in Sterne umzuwandeln, in den Aussenbereichen etwa einen Faktor 10 länger ist, entsprechend etwa einer Hubble-Zeit, als in den Zentren der Spiralgalaxien. Diese Zeit ist nochmals erheblich grösser bei sehr grossen Abständen vom Zentrum der Galaxien für HI sehr niedriger Säulendichte. Dies legt nahe, dass unter solchen Bedingungen Sternentstehung vermutlich unterdrückt wird.