Heshou Zhang

• The galactic interstellar medium is magnetized and turbulent. The magnetic field and turbulence play important roles in many astrophysical mechanisms, including cosmic ray transport, star formation, etc. Therefore, measurements of magnetic field and turbulence information are crucial for the proper interpretation of astronomical observations. Nonetheless, the magnetic field observation is quite challenging, especially, there is not universal magnetic tracer for diffuse medium. Moreover, the modelling of turbulence can be oversimplified due to the lack of observational tools to diagnose the plasma properties of the turbulence in the galactic interstellar medium. The studies presented in this thesis have addressed these challenges by bridging the theoretical studies of magnetic field and turbulence with numerical simulations and observations. The following research are presented in this thesis. The first observational evidence of the novel magnetic tracer, ground state alignment (GSA), is discovered, revealing the three-dimensionalThe galactic interstellar medium is magnetized and turbulent. The magnetic field and turbulence play important roles in many astrophysical mechanisms, including cosmic ray transport, star formation, etc. Therefore, measurements of magnetic field and turbulence information are crucial for the proper interpretation of astronomical observations. Nonetheless, the magnetic field observation is quite challenging, especially, there is not universal magnetic tracer for diffuse medium. Moreover, the modelling of turbulence can be oversimplified due to the lack of observational tools to diagnose the plasma properties of the turbulence in the galactic interstellar medium. The studies presented in this thesis have addressed these challenges by bridging the theoretical studies of magnetic field and turbulence with numerical simulations and observations. The following research are presented in this thesis. The first observational evidence of the novel magnetic tracer, ground state alignment (GSA), is discovered, revealing the three-dimensional magnetic field as well as 2 orders of magnitude higher precision comparing to previous observational study in the stellar atmosphere of the post-AGB 89 Herculis. Moreover, the application of GSA in the sub-millimeter fine-structure lines is comprehensively studied for different elements and with magnetohydrodynamic simulations. Furthermore, the influence of GSA effect on the spectroscopy is analyzed and it is found that measurable variation will be produced on the spectral line intensity and the line ratio without accounting for the optical pumping process or magnetic field. Additionally, a novel method to measure plasma modes in the interstellar medium, Signatures from Polarization Analysis (SPA), is proposed and applied to real observations. Magneto-sonic modes are discovered in different types of interstellar medium. An explanation is provided for the long-standing mystery, the origin of γ-ray enhanced emission “Cygnus Cocoon”, based on the comparison between the outcome of SPA and multi-waveband observational data. These novel methods have strong potentials for broader observational applications and will play crucial roles in future multi-wavelength astronomy.…
• Das interstellare Medium ist magnetisiert und turbulent. Das Magnetfeld und die Turbulenz spielen eine wichtige Rolle in vielen astrophysikalischen Prozessen, unter anderem beim Transport kosmischer Strahlung, bei der Entstehung von Sternen usw. Daher sind Messungen des Magnetfelds und der Turbulenz entscheidend bei der korrekten Interpretation astronomischer Beobachtungen. Dennoch ist die Messung des astronomischen Magnetfeldes eine große Herausforderung, besonders da es keinen universellen magnetischen Tracer für diffuse Medien gibt. Außerdem kann es aufgrund des Mangels an geeigneten Beobachtungswerkzeugen für die Plasmaeigenschaften der galaktischen Turbulenz zu übermäßigen Vereinfachungen bei der Turbulenzmodellierung kommen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsergebnisse beschäftigen sich mit diesen Herausforderungen; die Theorien des Magnetfeldes und der Turbulenz werden durch numerische Simulationen und Beobachtungen anwendbar gemacht. Die erste Anwendung eines neuen magnetischen Markers, Ground State AlignmentDas interstellare Medium ist magnetisiert und turbulent. Das Magnetfeld und die Turbulenz spielen eine wichtige Rolle in vielen astrophysikalischen Prozessen, unter anderem beim Transport kosmischer Strahlung, bei der Entstehung von Sternen usw. Daher sind Messungen des Magnetfelds und der Turbulenz entscheidend bei der korrekten Interpretation astronomischer Beobachtungen. Dennoch ist die Messung des astronomischen Magnetfeldes eine große Herausforderung, besonders da es keinen universellen magnetischen Tracer für diffuse Medien gibt. Außerdem kann es aufgrund des Mangels an geeigneten Beobachtungswerkzeugen für die Plasmaeigenschaften der galaktischen Turbulenz zu übermäßigen Vereinfachungen bei der Turbulenzmodellierung kommen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsergebnisse beschäftigen sich mit diesen Herausforderungen; die Theorien des Magnetfeldes und der Turbulenz werden durch numerische Simulationen und Beobachtungen anwendbar gemacht. Die erste Anwendung eines neuen magnetischen Markers, Ground State Alignment (GSA, deutsch „Grundzustandsausrichtung“), wird vorgestellt. Dabei wird das dreidimensionale Magnetfeld in der Analyse von Beobachtungsdaten aus der stellaren Atmosphäre des post-AGB 89 Herculis um zwei Größenordnungen genauer bestimmt als bei den bisherigen Methoden. Zusätzlich wird die Anwendung von GSA bei der Analyse von sub-millimeter Feinstrukturlinien ausführlich für verschiedene Elemente mit Hilfe von magnetohydrodynamischen Simulationen getestet. Auch der Einfluss von GSA-Effekten auf spektroskopische Analysen wird untersucht; dabei stellt sich heraus, dass messbare Variationen in der Linienbreite und im Verhältnis der Linien verursacht werden, ohne dass optische Pumpprozesse oder das Magnetfeld berücksichtigt werden. Des Weiteren wird die Signatures from Polarization Analysis (SPA, deutsch „Signatur-aus-Polarisationsanalyse“) als neue Messmethode für Plasmamoden im galaktischen Medium vorgestellt und auf reale Beobachtungen angewandt. In verschiedenen galaktischen Medien werden magneto-akustische Moden gefunden. Durch den Vergleich von Ergebnissen der SPA mit Beobachtungsdaten aus verschiedenen elektromagnetischen Frequenzbereichen kann die bisher ungeklärte Herkunft der gammastrahlenverstärkten Emission „Cygnus Cocoon“ erklärt werden. Diese neuen Methoden haben das Potential für eine breitere Anwendung bei der Analyse von Beobachtungen und werden in der Zukunft eine wichtige Rolle in der Multiwellenlängen-Astronomie spielen.…