TY  - GEN
A1  - Abdalla, Hassan E.
A1  - Adam, Remi
A1  - Aharonian, Felix A.
A1  - Benkhali, Faical Ait
A1  - Angüner, Ekrem Oǧuzhan
A1  - Arakawa, Masanori
A1  - Arcaro, C
A1  - Armand, Catherine
A1  - Armstrong, T.
A1  - Egberts, Kathrin
T1  - Very high energy γ-ray emission from two blazars of unknown redshift and upper limits on their distance
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - We report on the detection of very high energy (VHE; E > 100 GeV) gamma-ray emission from the BL Lac objects KUV 00311-1938 and PKS 1440-389 with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). H.E.S.S. observations were accompanied or preceded by multiwavelength observations with Fermi/LAT, XRT and UVOT onboard the Swift satellite, and ATOM. Based on an extrapolation of the Fermi/LAT spectrum towards the VHE gamma-ray regime, we deduce a 95 per cent confidence level upper limit on the unknown redshift of KUV 00311-1938 of z < 0.98 and of PKS 1440-389 of z < 0.53. When combined with previous spectroscopy results, the redshift of KUV 00311-1938 is constrained to 0.51 <= z < 0.98 and of PKS 1440-389 to 0.14 (sic) z < 0.53.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1202 
KW  - BL Lacertae objects: individual
KW  - galaxies: high-redshift
KW  - gamma-rays: general
KW  - Resolved and unresolved sources as a function of wavelength
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-526000
SN  - 1866-8372
IS  - 4
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ahlers, Volker
T1  - Scaling and synchronization in deterministic and stochastic nonlinear dynamical systems
N2  - Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung universeller Skalengesetze, die in gekoppelten chaotischen Systemen beobachtet werden. Ergebnisse werden erzielt durch das Ersetzen der chaotischen Fluktuationen in der Störungsdynamik durch stochastische Prozesse.   Zunächst wird ein zeitkontinuierliches stochastisches Modell fürschwach gekoppelte chaotische Systeme eingeführt, um die Skalierung der Lyapunov-Exponenten mit der Kopplungsstärke (coupling sensitivity of chaos) zu untersuchen. Mit Hilfe der Fokker-Planck-Gleichung werden Skalengesetze hergeleitet, die von Ergebnissen numerischer Simulationen bestätigt werden.   Anschließend wird der neuartige Effekt der vermiedenen Kreuzung von Lyapunov-Exponenten schwach gekoppelter ungeordneter chaotischer Systeme beschrieben, der qualitativ der Abstoßung zwischen Energieniveaus in Quantensystemen ähnelt. Unter Benutzung der für die coupling sensitivity of chaos gewonnenen Skalengesetze wird ein asymptotischer Ausdruck für die Verteilungsfunktion kleiner Abstände zwischen Lyapunov-Exponenten hergeleitet und mit Ergebnissen numerischer Simulationen verglichen.  Schließlich wird gezeigt, dass der Synchronisationsübergang in starkgekoppelten räumlich ausgedehnten chaotischen Systemen einem kontinuierlichen Phasenübergang entspricht, mit der Kopplungsstärke und dem Synchronisationsfehler als Kontroll- beziehungsweise Ordnungsparameter. Unter Benutzung von Ergebnissen numerischer Simulationen sowie theoretischen Überlegungen anhand einer partiellen Differentialgleichung mit multiplikativem Rauschen werden die Universalitätsklassen der zwei beobachteten Übergangsarten bestimmt (Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung mit Sättigungsterm, gerichtete Perkolation).
N2  - Subject of this work is the investigation of universal scaling laws which are observed in coupled chaotic systems. Progress is made by replacing the chaotic fluctuations in the perturbation dynamics by stochastic processes.   First, a continuous-time stochastic model for weakly coupled chaotic systems is introduced to study the scaling of the Lyapunov exponents with the coupling strength (coupling sensitivity of chaos). By means of the the Fokker-Planck equation scaling relations are derived, which are confirmed by results of numerical simulations.   Next, the new effect of avoided crossing of Lyapunov exponents of weakly coupled disordered chaotic systems is described, which is qualitatively similar to the energy level repulsion in quantum systems. Using the scaling relations obtained for the coupling sensitivity of chaos, an asymptotic expression for the distribution function of small spacings between Lyapunov exponents is derived and compared with results of numerical simulations.   Finally, the synchronization transition in strongly coupled spatially extended chaotic systems is shown to resemble a continuous phase transition, with the coupling strength and the synchronization error as control and order parameter, respectively. Using results of numerical simulations and theoretical considerations in terms of a multiplicative noise partial differential equation, the universality classes of the observed two types of transition are determined (Kardar-Parisi-Zhang equation with saturating term, directed percolation).
KW  - Nichtlineare Dynamik
KW  - Chaostheorie
KW  - Stochastische Prozesse
KW  - Synchronisation
KW  - nonlinear dynamics
KW  - chaos
KW  - stochastic processes
KW  - synchronization
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000320
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ahnert, Karsten
T1  - Compactons in strongly nonlinear lattices
T1  - Kompaktonen in stark nichtlinearen Gittern
N2  - In the present work, we study wave phenomena in strongly nonlinear lattices. Such lattices are characterized by the absence of classical linear waves. We demonstrate that compactons – strongly localized solitary waves with tails decaying faster than exponential – exist and that they play a major role in the dynamics of the system under consideration. We investigate compactons in different physical setups. One part deals with lattices of dispersively coupled limit cycle oscillators which find various applications in natural sciences such as Josephson junction arrays or coupled Ginzburg-Landau equations. Another part deals with Hamiltonian lattices. Here, a prominent example in which compactons can be found is the granular chain. In the third part, we study systems which are related to the discrete nonlinear Schrödinger equation describing, for example, coupled optical wave-guides or the dynamics of Bose-Einstein condensates in optical lattices. Our investigations are based on a numerical method to solve the traveling wave equation. This results in a quasi-exact solution (up to numerical errors) which is the compacton. Another ansatz which is employed throughout this work is the quasi-continuous approximation where the lattice is described by a continuous medium. Here, compactons are found analytically, but they are defined on a truly compact support. Remarkably, both ways give similar qualitative and quantitative results. Additionally, we study the dynamical properties of compactons by means of numerical simulation of the lattice equations. Especially, we concentrate on their emergence from physically realizable initial conditions as well as on their stability due to collisions. We show that the collisions are not exactly elastic but that a small part of the energy remains at the location of the collision. In finite lattices, this remaining part will then trigger a multiple scattering process resulting in a chaotic state.
N2  - In der hier vorliegenden Arbeit werden Wellenphänomene in stark nichtlinearen Gittern untersucht. Diese Gitter zeichnen sich vor allem durch die Abwesenheit von klassischen linearen Wellen aus. Es wird gezeigt, dass Kompaktonen – stark lokalisierte solitäre Wellen, mit Ausläufern welche schneller als exponentiell abfallen – existieren, und dass sie eine entscheidende Rolle in der Dynamik dieser Gitter spielen. Kompaktonen treten in verschiedenen diskreten physikalischen Systemen auf. Ein Teil der Arbeit behandelt dabei Gitter von dispersiv gekoppelten Oszillatoren, welche beispielsweise Anwendung in gekoppelten Josephsonkontakten oder gekoppelten Ginzburg-Landau-Gleichungen finden. Ein weiterer Teil beschäftigt sich mit Hamiltongittern, wobei die granulare Kette das bekannteste Beispiel ist, in dem Kompaktonen beobachtet werden können. Im dritten Teil werden Systeme, welche im Zusammenhang mit der Diskreten Nichtlinearen Schrödingergleichung stehen, studiert. Diese Gleichung beschreibt beispielsweise Arrays von optischen Wellenleitern oder die Dynamik von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Gittern. Das Studium der Kompaktonen basiert hier hauptsächlich auf dem numerischen Lösen der dazugehörigen Wellengleichung. Dies mündet in einer quasi-exakten Lösung, dem Kompakton, welches bis auf numerische Fehler genau bestimmt werden kann. Ein anderer Ansatz, der in dieser Arbeit mehrfach verwendet wird, ist die Approximation des Gitters durch ein kontinuierliches Medium. Die daraus resultierenden Kompaktonen besitzen einen im mathematischen Sinne kompakten Definitionsbereich. Beide Methoden liefern qualitativ und quantitativ gut übereinstimmende Ergebnisse. Zusätzlich werden die dynamischen Eigenschaften von Kompaktonen mit Hilfe von direkten numerischen Simulationen der Gittergleichungen untersucht. Dabei wird ein Hauptaugenmerk auf die Entstehung von Kompaktonen unter physikalisch realisierbaren Anfangsbedingungen und ihre Kollisionen gelegt. Es wird gezeigt, dass die Wechselwirkung nicht exakt elastisch ist, sondern dass ein Teil ihrer Energie an der Position der Kollision verharrt. In endlichen Gittern führt dies zu einem multiplen Streuprozess, welcher in einem chaotischen Zustand endet.
KW  - Gitterdynamik
KW  - Hamilton
KW  - Compacton
KW  - Soliton
KW  - granulare Kette
KW  - Lattice dynamics
KW  - Hamiltonian
KW  - Compacton
KW  - Soliton
KW  - Granular chain
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48539
ER  - 
TY  - THES
A1  - Alawashra, Mahmoud
T1  - Plasma instabilities of TeV pair beams induced by blazars
T1  - Plasma Instabilitäten von TeV-Paar Strahlen durch Blazare induziert
N2  - Relativistic pair beams produced in the cosmic voids by TeV gamma rays from blazars are expected to produce a detectable GeV-scale cascade emission missing in the observations. The suppression of this secondary cascade implies either the deflection of the pair beam by intergalactic magnetic fields (IGMFs) or an energy loss of the beam due to the electrostatic beam-plasma instability. IGMF of femto-Gauss strength is sufficient to significantly deflect the pair beams reducing the flux of secondary cascade below the observational limits. A similar flux reduction may result in the absence of the IGMF from the beam energy loss by the instability before the inverse Compton cooling. This dissertation consists of two studies about the instability role in the evolution of blazar-induced beams.
Firstly, we investigated the effect of sub-fG level IGMF on the beam energy loss by the instability. Considering IGMF with correlation lengths smaller than a few kpc, we found that such fields increase the transverse momentum of the pair beam particles, dramatically reducing the linear growth rate of the electrostatic instability and hence the energy-loss rate of the pair beam. Our results show that the IGMF eliminates beam plasma instability as an effective energy-loss agent at a field strength three orders of magnitude below that needed to suppress the secondary cascade emission by magnetic deflection. For intermediate-strength IGMF, we do not know a viable process to explain the observed absence of GeV-scale cascade emission and hence can be excluded.
Secondly, we probed how the beam-plasma instability feeds back on the beam, using a realistic two-dimensional beam distribution. We found that the instability broadens the beam opening angles significantly without any significant energy loss, thus confirming a recent feedback study on a simplified one-dimensional beam distribution. However, narrowing diffusion feedback of the beam particles with Lorentz factors less than 1e6 might become relevant even though initially it is negligible. Finally, when considering the continuous creation of TeV pairs, we found that the beam distribution and the wave spectrum reach a new quasi-steady state, in which the scattering of beam particles persists and the beam opening angle may increase by a factor of hundreds. This new intrinsic scattering of the cascade can result in time delays of around ten years, thus potentially mimicking the IGMF deflection. Understanding the implications on the GeV cascade emission requires accounting for inverse Compton cooling and simulating the beam-plasma system at different points in the IGM.
N2  - Relativistische Teilchenstrahlen, erzeugt in den Weiten des Weltraums durch TeV- Gammastrahlen von Blazaren, sollen eine Art von Emission im GeV-Bereich erzeugen. Diese Emission wurde jedoch bisher nicht beobachtet. Der Grund für diese fehlende Emission könnte eine von zwei Ursachen sein: Entweder werden die Teilchenstrahlen von den Magnetfeldern im Weltraum (den sogenannten intergalaktischen Magnetfeldern oder IGMFs) umgeleitet, oder die Strahlen verlieren ihre Energie aufgrund einer Art von Instabilität namens Strahlungs-Plasma-Instabilität. Wenn die IGMFs extrem schwach sind (im Femto-Gauss-Bereich gemessen), können sie dennoch eine große Wirkung auf die Teilchenstrahlen haben, indem sie diese von ihrem Kurs abbringen und die Menge der fehlenden Emission verringern. Andererseits kann die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Energieverluste der Strahlen verursachen, wenn es keine IGMFs gibt.
Diese Forschung besteht aus zwei Studien. In der ersten Studie haben Wissenschaftler erforscht, wie schwache IGMFs den Energieverlust der Strahlen aufgrund von Instabilität beeinflussen. Sie stellten fest, dass diese schwachen Felder den Impuls der Teilchenstrahlen erheblich verändern können, was den Energieverlust aufgrund der Instabilität erheblich verlangsamt. Dies bedeutet, dass selbst extrem schwache IGMFs die Strahlungs Plasma-Instabilität unwirksam machen können, wenn es darum geht, Energieverluste zu verursachen.
In der zweiten Studie haben sie untersucht, wie die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Teilchenstrahlen beeinflusst. Sie entdeckten, dass die Instabilität den Winkel der Strahlen erweitert, ohne signifikante Energieverluste zu verursachen. Im Laufe der Zeit könnten jedoch Partikel mit niedrigeren Energien anfangen, Energie zu verlieren. Wenn man die kontinuierliche Erzeugung von hochenergetischen Teilchen berücksichtigt, stellten sie fest, dass die Verteilung der Strahlen und das Wellenspektrum schließlich einen stabilen Zustand erreichen, in dem die Partikel weiterhin gestreut werden und der Strahlenwinkel sich erheblich vergrößern kann. Diese intrinsische Streuung der Emission kann Zeitspannen verursachen, die es so aussehen lassen, als ob die IGMFs die Emission umlenken. Um die Auswirkungen auf die fehlende GeV-Emission vollständig zu verstehen, müssen Wissenschaftler Faktoren wie inverse-Compton-Kühlung berücksichtigen und die Wechselwirkung zwischen den Teilchenstrahlen und dem umgebenden Plasma an verschiedenen Stellen im Weltraum simulieren.
KW  - gamma rays: general
KW  - instabilities
KW  - blazar
KW  - relativistic processes
KW  - waves
KW  - Blazar
KW  - Gammastrahlen: allgemein
KW  - Instabilitäten
KW  - relativistische Prozesse
KW  - Wellen
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630131
ER  - 
TY  - THES
A1  - Albers, Nicole
T1  - On the relevance of adhesion : applications to Saturn's rings
T1  - Zur Relevanz von Teilchenadhäsion : Anwendung auf die Ringe des Saturn
N2  - Since their discovery in 1610 by Galileo Galilei, Saturn's rings continue to fascinate both experts and amateurs. Countless numbers of icy grains in almost Keplerian orbits reveal a wealth of structures such as ringlets, voids and gaps, wakes and waves, and many more. Grains are found to increase in size with increasing radial distance to Saturn. Recently discovered "propeller" structures in the Cassini spacecraft data, provide evidence for the existence of embedded moonlets. In the wake of these findings, the discussion resumes about origin and evolution of planetary rings, and growth processes in tidal environments. In this thesis, a contact model for binary adhesive, viscoelastic collisions is developed that accounts for agglomeration as well as restitution. Collisional outcomes are crucially determined by the impact speed and masses of the collision partners and yield a maximal impact velocity at which agglomeration still occurs. Based on the latter, a self-consistent kinetic concept is proposed. The model considers all possible collisional outcomes as there are coagulation, restitution, and fragmentation. Emphasizing the evolution of the mass spectrum and furthermore concentrating on coagulation alone, a coagulation equation, including a restricted sticking probability is derived. The otherwise phenomenological Smoluchowski equation is reproduced from basic principles and denotes a limit case to the derived coagulation equation. Qualitative and quantitative analysis of the relevance of adhesion to force-free granular gases and to those under the influence of Keplerian shear is investigated. Capture probability, agglomerate stability, and the mass spectrum evolution are investigated in the context of adhesive interactions. A size dependent radial limit distance from the central planet is obtained refining the Roche criterion. Furthermore, capture probability in the presence of adhesion is generally different compared to the case of pure gravitational capture. In contrast to a Smoluchowski-type evolution of the mass spectrum, numerical simulations of the obtained coagulation equation revealed, that a transition from smaller grains to larger bodies cannot occur via a collisional cascade alone. For parameters used in this study, effective growth ceases at an average size of centimeters.
N2  - Seit ihrer Entdeckung im Jahre 1610 durch Galileo Galilei faszinieren die Ringe des Saturn sowohl Laien als auch Experten. Planetare Ringe finden sich in der Äquatorialebene aller vier Riesenplaneten unseres Sonnensystems und sind eines der eindruckvollsten Beispiele granularer Gase. Darunter gehören die Saturnringe zu den Bekanntesten. Sie bergen eine Vielzahl von Strukturen und erstrecken sich über mehr als 240 000 Kilometer, wobei sie weit weniger als 100 Meter dick sind. Unzählige kleinerer Körper bewegen sich auf leicht exzentrischen Kepler-ähnlichen Bahnen um den Zentralplaneten und bestehen dabei vorwiegend aus Eis. Die seit Juli 2004 im Orbit um den Saturn befindliche Raumsonde Cassini liefert atemberaubende Bilder und Daten, die nicht nur neue Erkenntnisse liefern, sondern auch alte Fragestellungen neu aufleben lassen. Dazu gehört z.B. die Frage nach dem Ursprung und den Entwicklungsstufen planetarer Ringe. Kürzlich, im äusseren A-Ring entdeckte Kleinmonde, deren Existenz schon viel früher postuliert wurde, weisen auf eventuell stattfindende Wachstumsprozesse hin. Da sich planetare Ringe jedoch hauptsächlich innerhalb der sogenannten Roche-Zone des jeweiligen Planeten befinden, ist ein effektives, allein auf gravitativen Wechselwirkungen beruhendes Größenwachstum nicht zu erwarten. Der Einfluß von Teilchenadhäsion auf diese Prozesse ist bis dato fraglich. Im Rahmen dieser Dissertation ist ein Kontaktmodell für adhäsive, viskoelastische Binärstöße granularer Teilchen entwickelt worden, welches sowohl deren Agglomeration als auch Restitution gestattet. Chakateristisch für granulare Materie ist die dissipative Wechselwirkung der einzelnen Teilchen untereinander. Dieser Energieverlust wird gewöhnlich mittels des Restitutionskoeffizienten erfaßt, der das Verhältnis von Relativgeschwindigkeiten nach zu vor dem Stoß darstellt. Dieser Parameter ermöglicht es, Agglomeration und Restitution nicht nur qualitativ sondern auch quantitativ voneinander zu unterscheiden. Ferner ergibt sich eine maximale Impaktgeschwindigkeit, bei der eine Agglomeration noch immer möglich ist. Basierend auf der Existenz derartiger Grenzgeschwindigkeiten für Agglomeration und Fragmentation, wurde in dieser Dissertation ein selbstkonsistentes, kinetisches Strukturbildungsmodell vorgestellt und im Hinblick auf die Koagulation von Teilchen weitergehend untersucht. Eine Koagulationsgleichung, die einer eingeschränkten Haftwahrscheinlichkeit Rechnung trägt, ist analytisch hergeleitet worden. Aus ihr läßt sich die allgemein bekannte, aber ansonsten phenomenologische Smoluchowski Gleichung als ein Grenzfall ableiten, bei dem jeder mögliche Kontakt zur Koagulation führt. Qualitative und quantitative Untersuchungen der Relevanz von Adhäsion in kräftefreien und Kepler-gescherten Systemen beziehen sich auf die Stabilität von Zwei-Teilchen-Agglomeraten, die Wahrscheinlichkeit eines gegenseitigen "Einfangens" beider Teilchen, und die zeitliche Entwicklung der Größenverteilung unter Berücksichtigung der im ersten Teil dieser Arbeit eingeführten Kollisionsdynamik. Dabei ergab sich ein kritischer Abstand zum Zentralkörper, der das ansonsten in diesem Rahmen benutzte Roche Kriterium erweitert. Numerische Simulationen der vorgestellten Koagulationsgleichung zeigen deutlich, daß im Vergleich zu Smoluchowski-ähnlichem Verhalten, ein kollisionsbasiertes Wachstum von kleineren zu größeren Körpern nicht notwendigerweise auftritt. Lediglich Größen von Zentimetern konnten an dieser Stelle erreicht werden. Die Relevanz von adhäsiven Teilchenwechselwirkungen konnte damit nachgewiesen werden. Vermögen diese auch nicht für ein effektives Wachstum aufzukommen, so sind sie dennoch von Bedeutung für die kollektive Dynamik planetarer Ringe.
KW  - Saturn<Planet>
KW  - Cassini<Raumsonde>
KW  - Adhäsion
KW  - Kinetik
KW  - Planetare Ringe
KW  - Roche Limit
KW  - Roche
KW  - Agglomeration
KW  - Kollisionsdynamik
KW  - planetary rings
KW  - Saturn
KW  - collision dynamics
KW  - adhesion
KW  - kinetics
KW  - kinetic
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-10848
ER  - 
TY  - THES
A1  - Albus, Alexander P.
T1  - Mixtures of Bosonic and Fermionic atoms
N2  - Ziel der Arbeit war die systematische theoretische Behandlung von Gemischen aus bosonischen und fermionischen Atomen in einem Parameterbereich, der sich zur Beschreibung von aktuellen Experimenten mit ultra-kalten atomaren Gasen eignet.  Zuerst wurde der Formalismus der Quantenfeldtheorie auf homogene, atomare Boson-Fermion Gemische erweitert, um grundlegende Größen wie Quasiteilchenspektren, die Grundzustandsenergie und daraus abgeleitete Größen über die Molekularfeldtheorie hinaus zu berechnen.  Unter Zuhilfenahme der dieser Resultate System wurde ein Boson-Fermion Gemisch in einem Fallenpotential im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie beschrieben. Daraus konnten die Dichteprofile ermittelt werden und es ließen sich drei Bereiche im Phasendiagramm identifizieren:  (i) ein Bereich eines stabilen Gemisches, (ii) ein Bereich, in dem die Spezies entmischt sind und  (iii) ein Bereich, in dem das System kollabiert.  Im letzten dieser drei Fällen waren Austausch--Korrelationseffekte signifikant. Weiterhin wurde die Änderung der kritischen Temperatur der Bose-Einstein-Kondensation aufgrund der Boson-Fermion-Wechselwirkung berechnet. Verursacht wird dieser Effekt von Dichtumverteilungen aufgrund der Wechselwirkung.  Dann wurden Boson-Fermion Gemische in optischen Gittern betrachtet. Ein Stabilitätskriterium gegen Phasenentmischung wurde gefunden und es ließen sich Bedingungen für einen supraflüssig zu Mott-isolations Phasenübergang angeben. Diese wurden sowohl mittels einer Molekularfeldrechnung als auch numerisch im Rahmen eines Gutzwilleransatzes gefunden. Es wurden weiterhin neuartige frustrierte Grundzustände im Fall von sehr großen Gitterstärken gefunden.
N2  - The theory of atomic Boson-Fermion mixtures in the dilute limit beyond mean-field is considered in this thesis. Extending the formalism of quantum field theory we derived expressions for the quasi-particle excitation spectra, the ground state energy, and related quantities for a homogenous system to first order in the dilute gas parameter.  In the framework of density functional theory we could carry over the previous results to inhomogeneous systems. We then determined to density distributions for various parameter values and identified three different phase regions:  (i) a stable mixed regime,  (ii) a phase separated regime, and  (iii) a collapsed regime.   We found a significant contribution of exchange-correlation effects in the latter case. Next, we determined the shift of the Bose-Einstein condensation temperature caused by Boson-Fermion interactions in a harmonic trap due to redistribution of the density profiles.  We then considered Boson-Fermion mixtures in optical lattices. We calculated the criterion for stability against phase separation, identified the Mott-insulating and superfluid regimes both, analytically within a mean-field calculation, and numerically by virtue of a Gutzwiller Ansatz. We also found new frustrated ground states in the limit of very strong lattices. ----Anmerkung: Der Autor ist Träger des durch die Physikalische Gesellschaft zu Berlin vergebenen Carl-Ramsauer-Preises 2004 für die jeweils beste Dissertation der vier Universitäten Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin und Universität Potsdam.
KW  - Quantendegeneriert BEK FDS ultrakalte Atome
KW  - quantum degenerate BEC FDS ultacold atoms
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001065
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Aldoretta, E. J.
A1  - St-Louis, N.
A1  - Richardson, N. D.
A1  - Moffat, Anthony F. J.
A1  - Eversberg, T.
A1  - Hill, G. M.
T1  - The Results of the 2013 Pro-Am Wolf-Rayet Campaign
JF  - Wolf-Rayet Stars : Proceedings of an International Workshop held in Potsdam, Germany, 1.–5. June 2015
N2  - Professional and amateur astronomers around the world contributed to a 4-month long campaign in 2013, mainly in spectroscopy but also in photometry, interferometry and polarimetry, to observe the first 3 Wolf-Rayet stars discovered: WR 134 (WN6b), WR 135 (WC8) and WR 137 (WC7pd+O9). Each of these stars are interesting in their own way, showing a variety of stellar wind structures. The spectroscopic data from this campaign were reduced and analyzed for WR 134 in order to better understand its behavior and long-term periodicity in the context of CIRs in the wind. We will be presenting the results of these spectroscopic data, which include the confirmation of the CIR variability and a time-coherency of ∼ 40 days (half-life of ∼ 20 days).
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-87713
SP  - 75
EP  - 78
ER  - 
TY  - THES
A1  - Alexoudi, Xanthippi
T1  - Clarifying the discrepant results in the characterization of exoplanetary atmospheres
T1  - Klärung der widersprüchlichen Ergebnisse bei der Charakterisierung von exoplaneten Atmosphären
N2  - Planets outside our solar system, so-called "exoplanets", can be detected with different methods, and currently more than 5000 exoplanets have been confirmed, according to NASA Exoplanet Archive. One major highlight of the studies on exoplanets in the past twenty years is the characterization of their atmospheres usingtransmission spectroscopy as the exoplanet transits. However, this characterization is a challenging process and sometimes there are reported discrepancies in the literature regarding the atmosphere of the same exoplanet. One potential reason for the observed atmospheric inconsistencies is called impact parameter degeneracy, and it is highly driven by the limb darkening effect of the host star. A brief introductionto those topics in presented in chapter 1, while the motivation and objectives of thiswork are described in chapter 2.The first goal is to clarify the origin of the transmission spectrum, which is anindicator of an exoplanet’s atmosphere; whether it is real or influenced by the impactparameter degeneracy. A second goal is to determine whether photometry from space using the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), could improve on the major parameters, which are responsible for the aforementioned degeneracy, of known exoplanetary systems. Three individual projects were conducted in order toaddress those goals. The three manuscripts are presented, in short, in the manuscriptoverview in chapter 3.More specifically, in chapter 4, the first manuscript is presented, which is an ex-tended investigation on the impact parameter degeneracy and its application onsynthetic transmission spectra. Evidently, the limb darkening of the host star isan important driver for this effect. It keeps the degeneracy persisting through different groups of exoplanets, based on the uncertainty of their impact parameter and on the type of their host star. The second goal, was addressed in the second and third manuscripts (chapter 5 and chapter 6 respectively). Using observationsfrom the TESS mission, two samples of exoplanets were studied; 10 transiting inflated hot-Jupiters and 43 transiting grazing systems. Potentially, the refinement or confirmation of their major system parameters’ measurements can assist in solving current or future discrepancies regarding their atmospheric characterization.In chapter 7 the conclusions of this work are discussed, while in chapter 8 itis proposed how TESS’s measurements can be able to discern between erroneousinterpretations of transmission spectra, especially on systems where the impact parameter degeneracy is likely not applicable.
N2  - Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, sogenannte Exoplaneten", lassen sichmit verschiedenen Methoden aufspüren, und nach Angaben des NASA ExoplanetArchive wurden bisher mehr als 5000 Exoplaneten bestätigt. Ein großer Höhepunktder Studien über Exoplaneten in den letzten zwanzig Jahren ist die Charakterisierung ihrer Atmosphäre mit Hilfe der Methode der Transmissionsspektroskopie. Diese Charakterisierung ist jedoch ein schwieriger Prozess, und manchmal wird in derLiteratur für den gleichen Planeten unterschiedliche Resultate bezüglich seiner Systemparameter gezeigt. Ein möglicher Grund für die beobachteten atmosphärischen Unstimmigkeiten könnte durch die Entartung des Impaktparameters herrühren, diein hohem Maße durch den Verdunkelungseffekt des Muttersterns beeinflusst wird.Eine kurze Einführung in diese Themen wird in Kapitel 1 gegeben, während die Motivation und die Ziele dieser Arbeit in Kapitel 2 beschrieben werden.Das erste Ziel dieser Arbeit ist die Klärung der Herkunft von Merkmalen im Transmissionsspektrum, die Indikatoren für die Atmosphäre eines Exoplaneten sind; obsie real sind oder durch die Entartung des Impaktparameters beeinflusst werden. Einzweites Ziel ist es, festzustellen, ob die Photometrie aus dem Weltraum mit Hilfe desTransiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) die atmosphärischen Systemparameter bekannter Exoplanetensysteme verbessern könnte. Drei Einzelprojekte wurdendurchgeführt, um diese Ziele zu erreichen. Die drei Manuskripte werden in der Manuskriptübersicht in Kapitel 3 kurz vorgestellt.Genauer gesagt, wird in Kapitel 4 das erste Manuskript vorgestellt, welches eineerweiterte Untersuchung der Entartung des Impaktparameters und seine Anwendungauf synthetische Transmissionsspektren darstellt. Offensichtlich ist die Randverdunkelung des Muttersterns ein wichtiger Treiber für diesen Effekt. Sie sorgt dafür, dass die Entartung über verschiedene Gruppen von Exoplaneten, die auf der Unsicherheitihrer Impaktparameters und dem Typ ihres Muttersterns beruhen, auftaucht. Daszweite Ziel wurde im zweiten und dritten Manuskript behandelt (Kapitel 5 und Kapitel 6, jeweils). Anhand von Beobachtungen der TESS-Mission wurden zwei Populationen von Exoplaneten untersucht: zehn transitierende, aufgeblähte heiße-Jupiter Planeten und 43 nicht-zentral transitierende. Möglicherweise kann die Verbesserungoder Bestätigung der Messungen der wichtigsten Systemparameter dazu beitragen,aktuelle oder zukünftige Diskrepanzen bei der Charakterisierung ihrer Atmosphärezu lösen.In Kapitel 7 werden die Schlussfolgerungen dieser Arbeit erörtert, während inKapitel 8 diskutiert wird, wie die Messungen von TESS in der Lage sein können,zwischen fehlerhaften Interpretationen von Transmissionsspektren zu unterscheiden,insbesondere bei Systemen, bei denen die Entartung des Impaktparameters wahrscheinlich nicht zutrifft.
KW  - Exoplaneten
KW  - exoplanets
KW  - atmosphere
KW  - Atmosphäre
KW  - photometry
KW  - Photometrie
KW  - transmission spectroscopy
KW  - Transmissionsspektroskopie
KW  - observations with TESS
KW  - Beobachtungen mit TESS
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-605659
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Alirezaeizanjani, Zahra
A1  - Großmann, Robert
A1  - Pfeifer, Veronika
A1  - Hintsche, Marius
A1  - Beta, Carsten
T1  - Chemotaxis strategies of bacteria with multiple run modes
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Bacterial chemotaxis-a fundamental example of directional navigation in the living world-is key to many biological processes, including the spreading of bacterial infections. Many bacterial species were recently reported to exhibit several distinct swimming modes-the flagella may, for example, push the cell body or wrap around it. How do the different run modes shape the chemotaxis strategy of a multimode swimmer? Here, we investigate chemotactic motion of the soil bacterium Pseudomonas putida as a model organism. By simultaneously tracking the position of the cell body and the configuration of its flagella, we demonstrate that individual run modes show different chemotactic responses in nutrition gradients and, thus, constitute distinct behavioral states. On the basis of an active particle model, we demonstrate that switching between multiple run states that differ in their speed and responsiveness provides the basis for robust and efficient chemotaxis in complex natural habitats.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1418 
KW  - instability
KW  - flagellum
KW  - exploit
KW  - time
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519098
SN  - 1866-8372
IS  - 22
ER  - 
TY  - THES
A1  - Allefeld, Carsten
T1  - Phase synchronization analysis of event-related brain potentials in language processing
N2  - Das Forschungsthema Synchronisation bildet einen Schnittpunkt von Nichtlinearer Dynamik und Neurowissenschaft. So hat zum einen neurobiologische Forschung gezeigt, daß die Synchronisation neuronaler Aktivität einen wesentlichen Aspekt der Funktionsweise des Gehirns darstellt. Zum anderen haben Fortschritte in der physikalischen Theorie zur Entdeckung des Phänomens der Phasensynchronisation geführt. Eine dadurch motivierte Datenanalysemethode, die Phasensynchronisations-Analyse, ist bereits mit Erfolg auf empirische Daten angewandt worden. Die vorliegende Dissertation knüpft an diese konvergierenden Forschungslinien an. Ihren Gegenstand bilden methodische Beiträge zur Fortentwicklung der Phasensynchronisations-Analyse, sowie deren Anwendung auf ereigniskorrelierte Potentiale, eine besonders in den Kognitionswissenschaften wichtige Form von EEG-Daten. Die methodischen Beiträge dieser Arbeit bestehen zum ersten in einer Reihe spezialisierter statistischer Tests auf einen Unterschied der Synchronisationsstärke in zwei verschiedenen Zuständen eines Systems zweier Oszillatoren. Zweitens wird im Hinblick auf den viel-kanaligen Charakter von EEG-Daten ein Ansatz zur multivariaten Phasensynchronisations-Analyse vorgestellt. Zur empirischen Untersuchung neuronaler Synchronisation wurde ein klassisches Experiment zur Sprachverarbeitung repliziert, in dem der Effekt einer semantischen Verletzung im Satzkontext mit demjenigen der Manipulation physischer Reizeigenschaften (Schriftfarbe) verglichen wird. Hier zeigt die Phasensynchronisations-Analyse eine Verringerung der globalen Synchronisationsstärke für die semantische Verletzung sowie eine Verstärkung für die physische Manipulation. Im zweiten Fall läßt sich der global beobachtete Synchronisationseffekt mittels der multivariaten Analyse auf die Interaktion zweier symmetrisch gelegener Gehirnareale zurückführen. Die vorgelegten Befunde zeigen, daß die physikalisch motivierte Methode der Phasensynchronisations-Analyse einen wesentlichen Beitrag zur Untersuchung ereigniskorrelierter Potentiale in den Kognitionswissenschaften zu leisten vermag.
N2  - The topic of synchronization forms a link between nonlinear dynamics and neuroscience. On the one hand, neurobiological research has shown that the synchronization of neuronal activity is an essential aspect of the working principle of the brain. On the other hand, recent advances in the physical theory have led to the discovery of the phenomenon of phase synchronization. A method of data analysis that is motivated by this finding - phase synchronization analysis - has already been successfully applied to empirical data. The present doctoral thesis ties up to these converging lines of research. Its subject are methodical contributions to the further development of phase synchronization analysis, as well as its application to event-related potentials, a form of EEG data that is especially important in the cognitive sciences. The methodical contributions of this work consist firstly in a number of specialized statistical tests for a difference in the synchronization strength in two different states of a system of two oscillators. Secondly, in regard of the many-channel character of EEG data an approach to multivariate phase synchronization analysis is presented. For the empirical investigation of neuronal synchronization a classic experiment on language processing was replicated, comparing the effect of a semantic violation in a sentence context with that of the manipulation of physical stimulus properties (font color). Here phase synchronization analysis detects a decrease of global synchronization for the semantic violation as well as an increase for the physical manipulation. In the latter case, by means of the multivariate analysis the global synchronization effect can be traced back to an interaction of symmetrically located brain areas.<BR> The findings presented show that the method of phase synchronization analysis motivated by physics is able to provide a relevant contribution to the investigation of event-related potentials in the cognitive sciences.
T2  - Phase synchronization analysis of event-related brain potentials in language processing
KW  - Synchronisation
KW  - EEG
KW  - Sprachverarbeitung
KW  - Multivariate Analyse
KW  - synchronization
KW  - EEG
KW  - language processing
KW  - multivariate analysis
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001873
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Allefeld, Carsten
T1  - About the derivation of the SCA algorithm
N2  - In Allefeld & Kurths [2004], we introduced an approach to multivariate phase synchronization analysis in the form of a Synchronization Cluster Analysis (SCA). A statistical model of a synchronization cluster was described, and an abbreviated instruction on how to apply this model to empirical data was given, while an implementation of the corresponding algorithm was (and is) available from the authors. In this letter, the complete details on how the data analysis algorithm is to be derived from the model are filled in.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 075 
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-20137
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Allefeld, Carsten
A1  - Frisch, Stefan
T1  - Phase synchronization analysis of event-related potentials in language processing
N2  - Phase synchronization analysis, including our recently introduced multivariate approach, is applied to event-related EEG data from an experiment on language processing, following a classic psycholinguistic paradigm. For the two types of experimental manipulation distinct effects in overall synchronization are found; for one of them they can also be localized. The synchronization effects occur earlier than those found by the conventional analysis method, indicating that the new approach provides additional information on the underlying neuronal process.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 073 
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-20113
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Allefeld, Carsten
A1  - Frisch, Stefan
A1  - Schlesewsky, Matthias
T1  - Detection of early cognitive processing by event-related phase synchronization analysis
N2  - In order to investigate the temporal characteristics of cognitive processing, we apply multivariate phase synchronization analysis to event-related potentials. The experimental design combines a semantic incongruity in a sentence context with a physical mismatch (color change). In the ERP average, these result in an N400 component and a P300-like positivity, respectively. The synchronization analysis shows an effect of global desynchronization in the theta band around 288ms after stimulus presentation for the semantic incongruity, while the physical mismatch elicits an increase of global synchronization in the alpha band around 204ms. Both of these effects clearly precede those in the ERP average. Moreover, the delay between synchronization effect and ERP component correlates with the complexity of the cognitive processes.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 074 
KW  - phase synchronization
KW  - coherence
KW  - semantic incongruity
KW  - color change
KW  - N400
KW  - P300
KW  - theta
KW  - alpha
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-20126
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Allefeld, Carsten
A1  - Kurths, Jürgen
T1  - Testing for phase synchronization
N2  - We present different tests for phase synchronization which improve the procedures currently used in the literature. This is accomplished by using a two-samples test setup and by utilizing insights and methods from directional statistics and bootstrap theory. The tests differ in the generality of the situation in which they can be applied as well as in their complexity, including computational cost. A modification of the resampling technique of the bootstrap is introduced, making it possible to fully utilize data from time series.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 071 
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-20091
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Allefeld, Carsten
A1  - Kurths, Jürgen
T1  - An approach to multivariate phase synchronization analysis and its application to event-related potentials
N2  - A method for the multivariate analysis of statistical phase synchronization phenomena in empirical data is presented. A first statistical approach is complemented by a stochastic dynamic model, to result in a data analysis algorithm which can in a specific sense be shown to be a generic multivariate statistical phase synchronization analysis. The method is applied to EEG data from a psychological experiment, obtaining results which indicate the relevance of this method in the context of cognitive science as well as in other fields.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 069 
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-20106
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Alonso, Sergio
A1  - Stange, Maike
A1  - Beta, Carsten
T1  - Modeling random crawling, membrane deformation and intracellular polarity of motile amoeboid cells
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Amoeboid movement is one of the most widespread forms of cell motility that plays a key role in numerous biological contexts. While many aspects of this process are well investigated, the large cell-to-cell variability in the motile characteristics of an otherwise uniform population remains an open question that was largely ignored by previous models. In this article, we present a mathematical model of amoeboid motility that combines noisy bistable kinetics with a dynamic phase field for the cell shape. To capture cell-to-cell variability, we introduce a single parameter for tuning the balance between polarity formation and intracellular noise. We compare numerical simulations of our model to experiments with the social amoeba Dictyostelium discoideum. Despite the simple structure of our model, we found close agreement with the experimental results for the center-of-mass motion as well as for the evolution of the cell shape and the overall intracellular patterns. We thus conjecture that the building blocks of our model capture essential features of amoeboid motility and may serve as a starting point for more detailed descriptions of cell motion in chemical gradients and confined environments.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1014 
KW  - signaling system
KW  - eukaryotic chemotaxis
KW  - Dictyostelium cells
KW  - actin cytoskeleton
KW  - excitable networks
KW  - PIP3 waves
KW  - migration
KW  - dynamics
KW  - oscillations
KW  - transduction
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459745
SN  - 1866-8372
IS  - 1014
ER  - 
TY  - THES
A1  - Amaro-Seoane, Pau
T1  - Dense stellar systems and massive black holes
T1  - Dichte stellare Systeme und massive Schwarze Löcher
BT  - sources of gravitational radiation and tidal disruptions
BT  - Quellen von Gravitationsstrahlung und Gezeiten-Sternzerissereignissen
N2  - Gravity dictates the structure of the whole Universe and, although it is triumphantly described by the theory of General Relativity, it is the force that we least understand in nature. One of the cardinal predictions of this theory are black holes. Massive, dark objects are found in the majority of galaxies. Our own galactic center very contains such an object with a mass of about four million solar masses. Are these objects supermassive black holes (SMBHs), or do we need alternatives? The answer lies in the event horizon, the characteristic that defines a black hole. The key to probe the horizon is to model the movement of stars around a SMBH, and the interactions between them, and look for deviations from real observations. Nuclear star clusters harboring a massive, dark object with a mass of up to ~ ten million solar masses are good testbeds to probe the event horizon of the potential SMBH with stars. The channel for interactions between stars and the central MBH are the fact that (a) compact stars and stellar-mass black holes can gradually inspiral into the SMBH due to the emission of gravitational radiation, which is known as an “Extreme Mass Ratio Inspiral” (EMRI), and (b) stars can produce gases which will be accreted by the SMBH through normal stellar evolution, or by collisions and disruptions brought about by the strong central tidal field. Such processes can contribute significantly to the mass of the SMBH. These two processes involve different disciplines, which combined will provide us with detailed information about the fabric of space and time. In this habilitation I present nine articles of my recent work directly related with these topics.
N2  - Die Gravitation bestimmt die Struktur des ganzen Universums und ist, obwohl sie mit großem Erfolg durch die Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird, die am wenigsten verstandene Kraft in der Natur. Eine der grundsätzlichsten Vorhersagen dieser Theorie sind Schwarze Löcher. Massive, dunkle Objekte befinden sich in einem Großteil aller Galaxien. Das Zentrum unserer eigenen Galaxis enthält solch ein Objekt mit einer Masse von etwa vier Millionen Sonnenmassen. Sind diese Objekte supermassive Schwarze Löcher oder brauchen wir Alternativen? Die Antwort liegt im Ereignishorizont, der Eigenschaft, die ein Schwarzes Loch definiert. Der Schlüssel um den Ereignishorizont zu untersuchen ist, die Bewegungen der Sterne um eine Supermassives Schwarzes Loch zu modellieren, sowie deren Interaktionen, und nach Abweichungen von unseren Erwartungen in echten Beobachtungen zu suchen. Zentrale Sternhaufen, die ein massives, dunkles Objekt mit einer Masse bis zu ∼ zehn Millionen Sonnenmassen enthalten, sind gute Laborarien um den Ereignishorizont eines möglichen supermassiven Schwarzen Lochs mit Hilfe von Sternen zu untersuchen. Die Kanäle für mögliche Wechselwirkungen zwischen Sternen und einem zentralen Schwarzen Loch sind: (a) Kompakte Sternreste und stellare Schwarze Löcher können durch die Emission von Gravitationswellen allmählich auf spiralförmigen Orbits in das supermassive Schwarze Loch fallen, was als “Extreme Mass Ratio Inspiral” (EMRI) bezeichent wird. (b) Durch normale Sternentwicklung (Sternwinde) sowie durch Sternkollisionen oder Zerstörung von Sternen im starken zentralen Gezeitenfeld kann Gas freigesetzt werden, welches anschließend vom supermassiven Schwarzen Loch akkretiert werden kann. Solche Prozesse können wesentlich zur Masse eines Supermassiven Schwarzen Lochs beitragen. Die beiden Prozesse (a und b) beinhalten verschiedene astrophysikalische Aspekte, welche uns in ihrer Kombination mit detaillierter Information über die Beschaffenheit der Raumzeit versorgen. In dieser Habilitationsschrift präsentiere ich neun Artikel aus meiner jüngeren Forschungsarbeit, welche direkt Probleme aus diesen Themenbereichen behandeln.
KW  - stellar dynamics
KW  - massive black holes
KW  - gravitational waves
KW  - general relativity
KW  - Stellardynamik
KW  - massive Schwarze Löcher
KW  - Gravitationswellen
KW  - allgemeine Relativitätstheorie
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-95439
ER  - 
TY  - THES
A1  - Anders, Friedrich
T1  - Disentangling the chemodynamical history of the Milky Way disc with asteroseismology and spectroscopy
T1  - Die chemodynamische Entwicklung der Milchstraßenscheibe im Lichte asteroseismischer und spektroskopischer Himmelsdurchmusterungen
N2  - Galaxies are among the most complex systems that can currently be modelled with a computer. A realistic simulation must take into account cosmology and gravitation as well as effects of plasma, nuclear, and particle physics that occur on very different time, length, and energy scales. The Milky Way is the ideal test bench for such simulations, because we can observe millions of its individual stars whose kinematics and chemical composition are records of the evolution of our Galaxy. Thanks to the advent of multi-object spectroscopic surveys, we can systematically study stellar populations in a much larger volume of the Milky Way. While the wealth of new data will certainly revolutionise our picture of the formation and evolution of our Galaxy and galaxies in general, the big-data era of Galactic astronomy also confronts us with new observational, theoretical, and computational challenges.

This thesis aims at finding new observational constraints to test Milky-Way models, primarily based on infra-red spectroscopy from the Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) and asteroseismic data from the CoRoT mission. We compare our findings with chemical-evolution models and more sophisticated chemodynamical simulations. In particular we use the new powerful technique of combining asteroseismic and spectroscopic observations that allows us to test the time dimension of such models for the first time. With CoRoT and APOGEE (CoRoGEE) we can infer much more precise ages for distant field red-giant stars, opening up a new window for Galactic archaeology. 
Another important aspect of this work is the forward-simulation approach that we pursued when interpreting these complex datasets and comparing them to chemodynamical models. 

The first part of the thesis contains the first chemodynamical study conducted with the APOGEE survey. Our sample comprises more than 20,000 red-giant stars located within 6 kpc from the Sun, and thus greatly enlarges the Galactic volume covered with high-resolution spectroscopic observations. Because APOGEE is much less affected by interstellar dust extinction, the sample covers the disc regions very close to the Galactic plane that are typically avoided by optical surveys. This allows us to investigate the chemo-kinematic properties of the Milky Way's thin disc outside the solar vicinity. We measure, for the first time with high-resolution data, the radial metallicity gradient of the disc as a function of distance from the Galactic plane, demonstrating that the gradient flattens and even changes its sign for mid-plane distances greater than 1 kpc.
Furthermore, we detect a gap between the high- and low-[$\alpha$/Fe] sequences in the chemical-abundance diagram (associated with the thin and thick disc) that unlike in previous surveys can hardly be explained by selection effects. Using 6D kinematic information, we also present chemical-abundance diagrams cleaned from stars on kinematically hot orbits. The data allow us to confirm without doubt that the scale length of the (chemically-defined) thick disc is significantly shorter than that of the thin disc.

In the second part, we present our results of the first combination of asteroseismic and spectroscopic data in the context of Galactic Archaeology. We analyse APOGEE follow-up observations of 606 solar-like oscillating red giants in two CoRoT fields close to the Galactic plane. These stars cover a large radial range of the Galactic disc (4.5 kpc $\lesssim R_{\rm Gal}\lesssim15$ kpc) and a large age baseline (0.5 Gyr $\lesssim \tau\lesssim$ 13 Gyr), allowing us to study the age- and radius-dependence of the [$\alpha$/Fe] vs. [Fe/H] distributions. We find that the age distribution of the high-[$\alpha$/Fe] sequence appears to be broader than expected from a monolithically-formed old thick disc that stopped to form stars 10 Gyr ago. In particular, we discover a significant population of apparently young, [$\alpha$/Fe]-rich stars in the CoRoGEE data whose existence cannot be explained by standard chemical-evolution models. These peculiar stars are much more abundant in the inner CoRoT field LRc01 than in the outer-disc field LRc01, suggesting that at least part of this population has a chemical-evolution rather than a stellar-evolution origin, possibly due to a peculiar chemical-enrichment history of the inner disc. We also find that strong radial migration is needed to explain the abundance of super-metal-rich stars in the outer disc. 

Finally, we use the CoRoGEE sample to study the time evolution of the radial metallicity gradient in the thin disc, an observable that has been the subject of observational and theoretical debate for more than 20 years. By dividing the CoRoGEE dataset into six age bins, performing a careful statistical analysis of the radial [Fe/H], [O/H], and [Mg/Fe] distributions, and accounting for the biases introduced by the observation strategy, we obtain reliable gradient measurements. The slope of the radial [Fe/H] gradient of the young red-giant population ($-0.058\pm0.008$ [stat.] $\pm0.003$ [syst.] dex/kpc) is consistent with recent Cepheid data. For the age range of $1-4$ Gyr, the gradient steepens slightly ($-0.066\pm0.007\pm0.002$ dex/kpc), before flattening again to reach a value of  $\sim-0.03$ dex/kpc for stars with ages between 6 and 10 Gyr. This age dependence of the [Fe/H] gradient can be explained by a nearly constant negative [Fe/H] gradient of $\sim-0.07$ dex/kpc in the interstellar medium over the past 10 Gyr, together with stellar heating and migration. Radial migration also offers a new explanation for the puzzling observation that intermediate-age open clusters in the solar vicinity (unlike field stars) tend to have higher metallicities than their younger counterparts. We suggest that non-migrating clusters are more likely to be kinematically disrupted, which creates a bias towards high-metallicity migrators from the inner disc and may even steepen the intermediate-age cluster abundance gradient.
N2  - Galaxien gehören zu den komplexesten physikalischen Systemen, die derzeit mit Computern modelliert werden können. Eine realistische Galaxiensimulation muss kosmologische Effekte genauso berücksichtigen wie die Gesetze der Plasma-, Kern-, und Teilchenphysik. Die Milchstraße ist ein ideales Labor für die Überprüfung solcher Simulationen, da moderne Teleskope die Kinematik und chemische Zusammensetzung von Millionen von Milchstraßensternen einzeln analysieren können und uns so einen Einblick in die Entstehungsgeschichte unserer Galaxie geben. Dank groß angelegter spektroskopischer Himmelsdurchmusterungen lassen sich seit Neuestem auch stellare Populationen in fernen Regionen der Milchstraße systematisch studieren. Dieser Datenreichtum hat das Potential, unseren Blick auf die Entstehung unserer kosmischen Heimat zu revolutionieren, konfrontiert die Forschung aber auch mit neuen beobachtungstechnischen, theoretischen und numerischen Herausforderungen.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, moderne numerische Modelle der Milchstraße mittels neuer Beobachtungen zu testen. Hierbei benutzen wir vor Allem Infrarotspektroskopiedaten des Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE), sowie asteroseismische Daten der europäischen Exoplanetenmission CoRoT. Wir vergleichen unsere Resultate mit semianalytischen chemischen Entwicklungsmodellen und komplexeren chemodynamischen Simulationen, wobei uns die Kombination von asteroseismischen und spektroskopischen Daten erlaubt, zum ersten Mal die Zeitdimension solcher Modelle zu testen. Mit den CoRoT-APOGEE-Beobachtungen (kurz: CoRoGEE) lassen sich viel präzisere Altersbestimmungen für entfernte Riesensterne berechnen. Ein weiterer wichtiger Bestandteil dieser Arbeit ist die Verwendung sogenannter Mock-Beobachtungen, bei denen ein chemodynamisches Milchstraßenmodell so ``beobachtet'' wird wie die Milchstraße selbst, unter möglichst realistischer Berücksichtigung aller Beobachtungseffekte. Dies erlaubt uns akkuratere Vergleiche von Modellen und Daten, und ermöglicht eine einfachere Interpretation.

Der erste Teil dieser Arbeit enthält eine chemodynamische Untersuchung von mehr als 20,000 roten Riesensternen, die sich bis zu 6 kpc (20,000 Lichtjahre) entfernt befinden. Diese Studie, die mit den ersten APOGEE-Daten gemacht wurde, konnte so das galaktische Volumen, das mit hochauflösender Spektroskopie je beobachtet wurde, dramatisch vergrößern. Weil die Sensitivität von APOGEE als Infrarotexperiment weit weniger durch interstellare Extinktion behindert wird, dringt unsere Stichprobe außerdem in die Regionen nahe der galaktischen Ebene vor, die typischerweise von optischen Durchmusterungen vermieden werden. Das erlaubt es uns, die chemodynamischen Eigenschaften der dünnen Milchstraßenscheibe außerhalb der unmittelbaren Sonnenumgebung zu studieren. Wir können beispielsweise zum ersten Mal mit hochauflösender Spektroskopie den radialen Metallizitätsgradienten der Scheibe als Funktion des Abstands von der Scheibenebene messen und zeigen, dass dieser Gradient oberhalb von 1 kpc positiv ist. Außerdem detektieren wir eine Lücke zwischen den Populationen I und II im chemischen [$\alpha$/Fe]-[Fe/H]-Häufigkeitsdiagramm, die im Gegensatz zur früheren Datenerhebungen schwerlich durch Selektionseffekte erklärt werden kann. Da für viele Sterne zudem 6-dimensionale Phasenrauminformationen vorliegen, können wir außerdem chemische Häufigkeitsdiagramme analysieren, in denen stellare Passanten aus anderen galaktischen Regionen ausgeblendet werden. Unsere Daten bestätigen zweifelsfrei die kurze Skalenlänge der dicken Milchstraßenscheibe (Population II).  

Im zweiten Teil der Arbeit nutzen wir zum ersten Mal kombinierte seismisch-spektroskopische Beobachtungen zum Zwecke der Galaktischen Archäologie. Wir analysieren dabei APOGEE-Beobachtungen von 606 roten Riesensternen in zwei CoRoT-Himmelsfeldern nahe der Galaktischen Ebene. Die Sterne sind über einen weiten Bereich der Galaktischen Scheibe verteilt (4.5 kpc $\lesssim R_{\rm Gal}\lesssim15$ kpc) und decken eine große Altersspanne ab (0.5 Gyr $\lesssim \tau\lesssim$ 13 Gyr), was es uns erlaubt, sowohl die Alters- als auch die radiale Abhängigkeit der [$\alpha$/Fe]-[Fe/H]-Verteilungen zu untersuchen. Dabei konstatieren wir, dass die Altersverteilung der Population-II-Sterne breiter ist als man es für ein monolithisches Kollaps-Szenario der dicken Scheibe erwarten würde. Vor Allem liegt das an einer vorher nicht bekannten, aber signifikanten Population scheinbar junger [$\alpha$/Fe]-reicher Sterne, deren Existenz mit Standardmodellen für die chemische Evolution der Galaktischen Scheibe nicht erklärbar ist. Diese eigentümlichen Objekte sind viel häufiger in der inneren Scheibe zu finden als in der äußeren, was darauf hindeutet, dass zumindest ein Teil dieser Population tatsächlich einen physikalischen Ursprung hat (etwa eine besondere chemische Entwicklung nahe des Galaktischen Balkens) und nicht etwa auf systematische Fehler in der Altersbestimmung zurückzuführen ist. Ein weiteres Resultat ergibt sich aus der Fülle von super-metallreichen Sternen in der äußeren Scheibe: der Effekt radialer Sternmigration scheint dort eine größere Rolle zu spielen als bisher angenommen.

Im letzten Teil nutzen wir die CoRoGEE-Stichprobe, um die Zeitentwicklung des radialen Metallizitätsgradienten der dünnen Scheibe zu studieren; eine Unbekannte, die sowohl unter Theoretikern als auch unter Beobachtern in den letzten zwanzig Jahren immer wieder für Diskussionen sorgte. Wir teilen dazu die CoRoGEE-Daten in sechs Altersgruppen ein und  erhalten durch eine sorgfältige statistische Analyse der radialen [Fe/H] Verteilungen unter Berücksichtigung systematischer Unsicherheiten verlässliche Werte für den Metallizitätsgradienten. Dessen Anstieg für die junge Population der roten Riesen  ($-0.058\pm0.008$ [stat.] $\pm0.003$ [syst.] dex/kpc) ist konsistent mit den neuesten Messungen an Cepheiden. Im Altersbereich $1-4$ Gyr verzeichnen wir einen leicht steileren Gradienten ($-0.066\pm0.007\pm0.002$ dex/kpc), der für ältere Sterne (6--10 Gyr) wieder flacher ausfällt ($\sim-0.03$ dex/kpc). Diese Altersabhängigkeit des Metallizitätsgradienten lässt sich unter anderem durch ein Modell erklären, in dem der Metallizitätsgradient des interstellaren Medium etwa konstant bei $~-0.07$ dex/kpc liegt und in alten stellaren Populationen durch kinematische Effekte wie stellare Migration verwaschen wird. Stellare radiale Migration eröffnet uns außerdem eine elegante Erklärung für die verwundernde Tatsche, dass Sternhaufen mittleren Alters in der Sonnenumgebung oft höhere Metallizitäten aufweisen als junge Haufen. Um das zu erklären, schlagen wir ein Szenario vor, in dem nichtmigrierende Haufen eher durch gravitative Wechselwirkungen in der Scheibe zersöort werden als migrierende, was in der Sonnenumgebung eine Verzerrung zu Gunsten metallreicherer Haufen aus der inneren Scheibe nach sich zöge und, wie ebenfalls beobachtet, zur Folge hätte, dass der Metallizitätsgradient der mittelalten Haufenpopulation viel steiler wäre als der der jungen Haufen.
KW  - galactic astronomy
KW  - Milky Way evolution
KW  - Milky Way chemodynamics
KW  - red giant stars
KW  - asteroseismology
KW  - spectroscopy
KW  - galaktische Astrophysik
KW  - Entstehung der Milchstraße
KW  - Chemodynamik der Milchstraße
KW  - rote Riesensterne
KW  - Asteroseismologie
KW  - Spektroskopie
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396681
ER  - 
TY  - THES
A1  - Antonelli, Andrea
T1  - Accurate waveform models for gravitational-wave astrophysics: synergetic approaches from analytical relativity
N2  - Gravitational-wave (GW) astrophysics is a field in full blossom. Since the landmark detection of GWs from a binary black hole on September 14th 2015, fifty-two compact-object binaries have been reported by the LIGO-Virgo collaboration. Such events carry astrophysical and cosmological information ranging from an understanding of how black holes and neutron stars are formed, what neutron stars are composed of, how the Universe expands, and allow testing general relativity in the highly-dynamical strong-field regime. It is the goal of GW astrophysics to extract such information as accurately as possible. Yet, this is only possible if the tools and technology used to detect and analyze GWs are advanced enough. A key aspect of GW searches are waveform models, which encapsulate our best predictions for the gravitational radiation under a certain set of parameters, and that need to be cross-correlated with data to extract GW signals. Waveforms must be very accurate to avoid missing important physics in the data, which might be the key to answer the fundamental questions of GW astrophysics. The continuous improvements of the current LIGO-Virgo detectors, the development of next-generation ground-based detectors such as the Einstein Telescope or the Cosmic Explorer, as well as the development of the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), demand accurate waveform models. While available models are enough to capture the low spins, comparable-mass binaries routinely detected in LIGO-Virgo searches, those for sources from both current and next-generation ground-based and spaceborne detectors must be accurate enough to detect binaries with large spins and asymmetry in the masses. Moreover, the thousands of sources that we expect to detect with future detectors demand accurate waveforms to mitigate biases in the estimation of signals’ parameters due to the presence of a foreground of many sources that overlap in the frequency band. This is recognized as one of the biggest challenges for the analysis of future-detectors’ data, since biases might hinder the extraction of important astrophysical and cosmological information from future detectors’ data. In the first part of this thesis, we discuss how to improve waveform models for binaries with high spins and asymmetry in the masses. In the second, we present the first generic metrics that have been proposed to predict biases in the presence of a foreground of many overlapping signals in GW data.
For the first task, we will focus on several classes of analytical techniques. Current models for LIGO and Virgo studies are based on the post-Newtonian (PN, weak-field, small velocities) approximation that is most natural for the bound orbits that are routinely detected in GW searches. However, two other approximations have risen in prominence, the post-Minkowskian (PM, weak- field only) approximation natural for unbound (scattering) orbits and the small-mass-ratio (SMR) approximation typical of binaries in which the mass of one body is much bigger than the other. These are most appropriate to binaries with high asymmetry in the masses that challenge current waveform models. Moreover, they allow one to “cover” regions of the parameter space of coalescing binaries, thereby improving the interpolation (and faithfulness) of waveform models. The analytical approximations to the relativistic two-body problem can synergically be included within the effective-one-body (EOB) formalism, in which the two-body information from each approximation can be recast into an effective problem of a mass orbiting a deformed Schwarzschild (or Kerr) black hole. The hope is that the resultant models can cover both the low-spin comparable-mass binaries that are routinely detected, and the ones that challenge current models. The first part of this thesis is dedicated to a study about how to best incorporate information from the PN, PM, SMR and EOB approaches in a synergistic way. We also discuss how accurate the resulting waveforms are, as compared against numerical-relativity (NR) simulations. We begin by comparing PM models, whether alone or recast in the EOB framework, against PN models and NR simulations. We will show that PM information has the potential to improve currently-employed models for LIGO and Virgo, especially if recast within the EOB formalism. This is very important, as the PM approximation comes with a host of new computational techniques from particle physics to exploit. Then, we show how a combination of PM and SMR approximations can be employed to access previously-unknown PN orders, deriving the third subleading PN dynamics for spin-orbit and (aligned) spin1-spin2 couplings. Such new results can then be included in the EOB models currently used in GW searches and parameter estimation studies, thereby improving them when the binaries have high spins. Finally, we build an EOB model for quasi-circular nonspinning binaries based on the SMR approximation (rather than the PN one as usually done). We show how this is done in detail without incurring in the divergences that had affected previous attempts, and compare the resultant model against NR simulations. We find that the SMR approximation is an excellent approximation for all (quasi-circular nonspinning) binaries, including both the equal-mass binaries that are routinely detected in GW searches and the ones with highly asymmetric masses. In particular, the SMR-based models compare much better than the PN models, suggesting that SMR-informed EOB models might be the key to model binaries in the future. In the second task of this thesis, we work within the linear-signal ap- proximation and describe generic metrics to predict inference biases on the parameters of a GW source of interest in the presence of confusion noise from unfitted foregrounds and from residuals of other signals that have been incorrectly fitted out. We illustrate the formalism with simple (yet realistic) LISA sources, and demonstrate its validity against Monte-Carlo simulations. The metrics we describe pave the way for more realistic studies to quantify the biases with future ground-based and spaceborne detectors.
N2  - Wenn zwei kompakte Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren, wird der Raum und die Zeit um sie herum stark gekrümmt. Der effekt sind Störungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, die sich im gesamten Universum ausbreiten.

Mit den leistungsstarken und präzisen Netzwerken von Detektoren und der Arbeit vieler Wissenschaftler rund um den Globus kann man Gravitationswellen auf der Erde messen.

Gravitationswellen tragen Informationen über das System, das sie erzeugt hat. Insbesondere kann man erfahren, wie sich die kompakten Objekte gebildet haben und woraus sie bestehen. Daraus lässt sich ableiten, wie sich das Universum ausdehnt, und man kann die Allgemeine Relativitätstheorie in Regionen mit starker Gravitation testen.

Um diese Informationen zu extrahieren, werden genaue Modelle benötigt. Modelle können entweder numerisch durch Lösen der berühmten Einstein-Gleichungen oder analytisch durch Annäherung an deren Lösungen gewonnen werden. In meiner Arbeit haben wir den zweiten Ansatz verfolgt, um sehr genaue Vorhersagen für die Signale zu erhalten, die bei kommenden Beobachtungen durch Gravitationswellendetektoren verwendet werden können.
KW  - gravitational waves
KW  - Gravitationswellen
KW  - general relativity
KW  - allgemeine Relativitätstheorie
KW  - data analysis
KW  - Datenanalyse
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576671
ER  - 
TY  - THES
A1  - Arentsen, Anke
T1  - Galactic archaeology with the oldest stars in the Milky Way
N2  - In einer dunklen Nacht kann man tausende Sterne sehen. All diese Sterne befinden sich innerhalb der Milchstraße, unsere Heimatgalaxie. Nicht alle Sterne sind gleich, sie können zum Beispiel unterschiedliche Größen, Massen, Temperaturen und Alter haben. Die schwereren Sterne leben (aus astronomischer Sicht) nicht lange, nur wenige Millionen Jahren, aber Sterne kleiner als die Sonne können mehr als zehn Milliarden Jahren alt werden. Kleine Sterne die ganz am Anfang des Universums entstanden sind leuchten immer noch. Diese uralten Sterne sind sehr hilfreich um mehr über das frühe Universum, die erste Sterne und die Geschichte der Milchstraße zu erfahren. Aber wie erkennt man uralte Sterne? Anhand ihrer chemischen Fingerabdrücke! Am Anfang des Universums gab es nur zwei chemische Elemente: Wasserstoff und Helium (und ein klein bisschen Lithium). Alle schwereren Elementen wie zum Beispiel Kohlenstoff, Kalzium und Eisen sind erst später innerhalb von Sternen und in Sternexplosionen entstanden. Je mehr Sternen geboren werden, sich entwickeln und explodieren, desto mehr chemische Elemente gibt es im Universum. Sterne die später entstehen werden mit einer größeren Menge an schweren Elementen, beziehungsweise einer größeren Metallizität, geboren. Im Bereich der Astronomie der sich „Galaktische Archäologie” nennt benutzt man Sterne mit unterschiedlichen Metallizitäten um die Geschichte der Milchstraße zu erforschen. In dieser Doktorarbeit liegt der Fokus auf den metallarmen Sterne, da man erwartet dass diese Sterne am ältesten sind und uns deswegen viel über die frühe Geschichte erzählen können.

Bis heute haben wir noch keinen metallfreien Stern entdeckt, aber die metallärmsten Sterne geben uns wichtige Einblicke in das Leben und Sterben der ersten Sterne. Viele von diesen ältesten, metallärmsten Sternen haben unerwartet viel Kohlenstoff im Vergleich zu zum Beispiel Eisen. Diese kohlenstoffreichen, metallarmen Sterne (CEMP Sterne) erzählen uns etwas über die allerersten Sterne im Universum: sie haben relativ viel Kohlenstoff produziert. Wenn wir uns die genauen chemischen Fingerabdrücke von CEMP Sterne angucken, erzählen sie uns noch viel mehr. Aber unsere Interpretation hängt von der Annahme ab, dass der chemische Fingerabdruck sich während des Lebens eines Sternes nicht geändert hat. In dieser Dissertation werden neue Daten präsentiert die zeigen dass diese Annahme vielleicht zu einfach ist: viele extrem metallarme CEMP Sterne befinden sich in Doppelsternsystemen. Interaktion zwischen zwei Sternen in einem Doppelsternsystem könnte die Oberfläche von CEMP Sternen verschmutzt haben. Zwar wurden die meisten CEMP Sterne höchstwahrscheinlich nicht verschmutzt, aber wir sollten vorsichtig sein mit unserer Interpretation.

Die CEMP Sterne und andere metallarme Sterne sind auch wichtig für unser Verständnis der frühen Geschichte der Milchstraße. Die meisten Forscher, die metallarme Sterne studieren, suchen diese Sterne im Halo der Milchstraße: einer riesigen, diffuse Komponente die ungefähr 1% der Sterne in unserer Galaxie enthält. Modelle sagen aber vorher dass die ältesten metallarmen Sterne sich im Zentrum der Milchstraße befinden (im „Bulge”). Das Zentrum ist leider, wegen großer Mengen Staub zwischen uns und dem Zentrum und einer überwältigenden Mehrheit an metallreichen Sternen, schwierig zu beobachten. Diese Dissertation präsentiert Ergebnisse des „Pristine Inner Galaxy Survey” (PIGS), einer neuen Himmelsdurchmusterung, die die ältesten Sterne im Bulge der Milchstraße sucht (und findet). PIGS benutzt Bilder mit einer Farbe, die für die Metallizität der Sterne empfindlich ist, und kann deswegen sehr effektiv die metallarmen Sterne aus Millionen anderer Sterne auswählen. Von interessanten Kandidaten wurden Spektren aufgenommen und mit zwei unabhängigen Methoden analysiert. Mit dieser Strategie hat PIGS die bislang größte Anzahl an metallarmen Sternen in der inneren Galaxie entdeckt. Ein neues Ergebnis aus den PIGS Daten ist, dass die metallärmeren Sterne langsamer um das Galaktische Zentrum drehen als die metallreichen Sterne, und dass sie mehr willkürliche Bewegung zeigen. Eine zweite wichtige Leistung von PIGS ist die Entdeckung von dutzenden CEMP Sternen in der innere Galaxie, wo vorher nur zwei bekannt waren. 

Die neuen Ergebnisse aus dieser Dissertation helfen uns die ersten Sterne und die Geschichte der Milchstraße besser zu verstehen. Laufende und neue Himmelsdurchmusterungen in den nächsten Jahren werden uns noch viel mehr Informationen geben: es ist eine aufregende Zeit für die Galaktische Archäologie.
N2  - During a dark night, it is possible to observe thousands of stars by eye. All these stars are located within the Milky Way, our home. Not all stars are the same, they can have different sizes, masses, temperatures and ages. Heavy stars do not live long (in astronomical terms), only a few million years, but stars less massive than the Sun can get more than ten billion years old. Such small stars that formed in the beginning of the Universe still shine today. These ancient stars are very helpful to learn more about the early Universe, the First Stars and the history of the Milky Way. But how do you recognise an ancient star? Using their chemical fingerprints! In the beginning of the Universe, there were only two chemical elements: hydrogen and helium (and a tiny bit of lithium). All the heavier elements like carbon, calcium and iron were only made later within stars and their explosions. The amount of chemical elements in the Universe increases with the number of stars that are born, evolve and explode. Stars that form later are born with more heavy elements, or a greater metallicity. In the field of astronomy that is called “Galactic Archaeology”, stars of various metallicities are used to study the history of the Milky Way. In this doctoral thesis, the focus is on metal-poor stars because these are expected to be the oldest and can therefore tell us a lot about the early history of our Galaxy. 

Until today, we still have not discovered a metal-free star. The most metal-poor stars, however, give us important insights in the lives and deaths of the First Stars. Many of the oldest, most metal-poor stars have an unexpectedly large amount of carbon, compared to for example iron. These carbon-enhanced metal-poor (CEMP) stars tell us something about the very first stars in the Universe: they somehow produced a lot of carbon. If we look at the precise chemical fingerprints of the CEMP stars, we can learn a lot more. But our interpretation depends on the assumption that the chemical fingerprint of a star does not change during its life. In this thesis, new data is presented that shows that this assumption may be too simple: many extremely metal-poor CEMP stars are members of binary systems. Interactions between two stars in a binary system can pollute the surface of the stars. Likely not all of the CEMP stars in binary systems were actually polluted, but we should be very careful in our interpretations of the fingerprints of these stars. 

The CEMP stars and other metal-poor stars are also important for our understanding of the early history of the Milky Way. Most researchers who study metal-poor stars look for these stars in the halo of the Milky Way: a huge diffuse Galactic component containing about 1% of the stars in our Galaxy. However, models predict that the oldest metal-poor stars are located in the center of the Milky Way, in the bulge. The metal-poor inner Galaxy is unfortunately difficult to study due to large amounts of dust between us and the center and an overwhelming majority of metal-rich stars. This thesis presents results from the successful Pristine Inner Galaxy Survey (PIGS), a new survey looking for (and finding) the oldest stars in the bulge of the Milky Way. PIGS is using images with a specific color that is sensitive to the metallicity of stars, and can therefore efficiently select the metal-poor stars among millions of other, more metal-rich stars. The interesting candidates are followed up with spectroscopy, which is then analysed using two independent methods. With this strategy, PIGS has discovered the largest sample of metal-poor stars in the inner Galaxy to date. A new result from the PIGS data is that the metal-poor stars rotate more slowly around the Galactic center compared to the more metal-rich stars, and they show larger randomness in their motions as well. Another important contribution from PIGS is the discovery of tens of CEMP stars in the inner Galaxy, where previously only two such stars were known. 

The new results from this thesis help us to understand the First Stars and the early history of the Milky Way. Ongoing and future large surveys will provide us with a lot of additional data in the coming years. It is an exciting time for the field of Galactic Archaeology.
T2  - Galaktische Archäologie mit den ältesten Sternen in der Milchstraße
KW  - astrophysics
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KW  - Galaktische Archäologie
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476022
ER  -