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Gas evolution in disk galaxies [Elektronische Ressource] : disk stability, gas accretion & the impacts of spiral density waves / Hsiang-Hsu Wang

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Gas Evolution in Disk GalaxiesDisk Stability, Gas Accretion &The Impacts of Spiral Density WavesHsiang-Hsu WangMax-Planck-Institut fu¨r Astronomie (MPIA)Zentrum fu¨r Astronomie der Universita¨t Heidelberg,Institut fu¨r Theoretische Astrophysik (ITA)Heidelberg 2010Dissertation in Astronomysubmitted to theCombined Faculties of the Natural Sciences and Mathematicsof the Ruperto-Carola-University of Heidelberg, Germany,for the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byLic. Hsiang-Hsu Wangborn in Tainan, TaiwanOral examination: 19.01.11Gas Evolution in Disk GalaxiesDisk Stability, Gas Accretion &The Impacts of Spiral Density WavesReferees: Prof. Dr. Ralf KlessenPriv. Doz. Dr. Henrik BeutherAbstractThis thesis studies many aspects of gas evolution in disk galaxies. A simple, effective method is developedfor initializing a three-dimensional gaseous disk which is in detailed equilibrium. With this method, theo-retical predictions for disk stability and swing amplification are numerically studied for three-dimensionaldisks. The missing link between intergalactic gas accretion and the star formation activity is found for thegalaxy M83. We improve the analysis method to search for the signature of gas infall. For the first time,gas accretion with sufficient fresh gas to fuel star forming disk is kinematically confirmed. The impactsof spiral density waves on gas motions are studied numerically.

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Published 01 January 2010
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Language English
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Gas Evolution in Disk Galaxies
Disk Stability, Gas Accretion &
The Impacts of Spiral Density Waves
Hsiang-Hsu Wang
Max-Planck-Institut fu¨r Astronomie (MPIA)
Zentrum fu¨r Astronomie der Universita¨t Heidelberg,
Institut fu¨r Theoretische Astrophysik (ITA)
Heidelberg 2010Dissertation in Astronomy
submitted to the
Combined Faculties of the Natural Sciences and Mathematics
of the Ruperto-Carola-University of Heidelberg, Germany,
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Lic. Hsiang-Hsu Wang
born in Tainan, Taiwan
Oral examination: 19.01.11Gas Evolution in Disk Galaxies
Disk Stability, Gas Accretion &
The Impacts of Spiral Density Waves
Referees: Prof. Dr. Ralf Klessen
Priv. Doz. Dr. Henrik BeutherAbstract
This thesis studies many aspects of gas evolution in disk galaxies. A simple, effective method is developed
for initializing a three-dimensional gaseous disk which is in detailed equilibrium. With this method, theo-
retical predictions for disk stability and swing amplification are numerically studied for three-dimensional
disks. The missing link between intergalactic gas accretion and the star formation activity is found for the
galaxy M83. We improve the analysis method to search for the signature of gas infall. For the first time,
gas accretion with sufficient fresh gas to fuel star forming disk is kinematically confirmed. The impacts
of spiral density waves on gas motions are studied numerically. Shock driven turbulence is quantified
and is found to match excellently with observations. Furthermore, the evolution of shock itself has pro-
found impacts on redistributing gaseous surface density, angular momentum and on the development of
substructures.
Zusammenfassung
Diese Arbeit untersucht viele Aspekte der zeitlichen Entwicklung von Gas in Scheibengalaxien. Eine
einfache und effektive Methode zur Initialisierung einer dreidimensionalen Gasscheibe in detailliertem
Gleichgewicht wurde entwickelt. Mithilfe dieser Methode untersuchen wir theoretische Vorhersagen ber
Stabilitt und ’Swing’ Verstrkung dreidimensionaler Scheiben durch numerische Simulationen. Fr die
Galaxie M83 wurde der fehlende Zusammenhang zwischen Akkretion intergalaktischen Gases und der
Sternentstehungsrate gefunden. Wir verbesserten die Analysemethode zum Auffinden von Gaseinfall.
Zum ersten Mal wurde eine ausreichende Gasakkretion zum speisen einer Sterne formenden Scheibe
kinematisch besttigt. Der Einfluss von spiralfrmigen Dichtewellen auf die Gasbewegung wurde numerisch
untersucht. Schock-getriebene Turbulenz wurde quantifiziert und stimmt mit Beobachtungen exzellent
berein. Des Weiteren hat die Entwicklung des Schocks selbst weitreichende Einflsse auf die Umverteilung
von Gasoberflchendichte, Drehimpuls und die Entwicklung von Substrukturen.Contents
1 Introduction 1
1.1 Galaxies in the Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Classification of Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Galaxy Distribution in The Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Environmental Effects on Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Spiral Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Spiral Density Waves and Substructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Star Formation, Turbulence and Gas Accretion . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 Dark Matter Halo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.4 Stellar Disks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.5 Gaseous Disks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Layout of The Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Equilibrium Initialization and Stability of Three-Dimensional Gas Disks 15
ixx Contents
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Formulation of Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1 Azimuthal Rotation Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 Density Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Implementation and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Simulation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 A Stable Disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Axisymmetric Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 The impact of thickness on disk stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.2 The inclusion of stellar potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Spontaneously Induced Spiral Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Evidence for Radial Inflow In The Extended HI Disk of M83 (NGC5236) 43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 HI maps of M83 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Fourier Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.1 Axi-symmetric flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.2 Inclusion of Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4 Application to M83 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.1 The Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.1 The HI Ring As An Angular Momentum Barrier . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.2 Radial Inflow In The Outer Disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55