TY  - THES
A1  - Takey, Ali Said Ahmed
T1  - The XMM-Newton/SDSS galaxy cluster survey
T1  - Die XMM-Newton/SDSS Galaxienhaufen-Durchmusterung
N2  - Galaxy clusters are the largest known gravitationally bound objects, their study is important for both an intrinsic understanding of their systems and an investigation of the large scale structure of the universe. The multi- component nature of galaxy clusters offers multiple observable signals across the electromagnetic spectrum. At X-ray wavelengths, galaxy clusters are simply identified as X-ray luminous, spatially extended, and extragalactic sources. X-ray observations offer the most powerful technique for constructing cluster catalogues. The main advantages of the X-ray cluster surveys are their excellent purity and completeness and the X-ray observables are tightly correlated with mass, which is indeed the most fundamental parameter of clusters. In my thesis I have conducted the 2XMMi/SDSS galaxy cluster survey, which is a serendipitous search for galaxy clusters based on the X-ray extended sources in the XMM-Newton Serendipitous Source Catalogue (2XMMi-DR3). The main aims of the survey are to identify new X-ray galaxy clusters, investigate their X-ray scaling relations, identify distant cluster candidates, and study the correlation of the X-ray and optical properties. The survey is constrained to those extended sources that are in the footprint of the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) in order to be able to identify the optical counterparts as well as to measure their redshifts that are mandatory to measure their physical properties. The overlap area be- tween the XMM-Newton fields and the SDSS-DR7 imaging, the latest SDSS data release at the starting of the survey, is 210 deg^2. The survey comprises 1180 X-ray cluster candidates with at least 80 background-subtracted photon counts, which passed the quality control process. To measure the optical redshifts of the X-ray cluster candidates, I used three procedures; (i) cross-matching these candidates with the recent and largest optically selected cluster catalogues in the literature, which yielded the photometric redshifts of about a quarter of the X-ray cluster candidates. (ii) I developed a finding algorithm to search for overdensities of galaxies at the positions of the X-ray cluster candidates in the photometric redshift space and to measure their redshifts from the SDSS-DR8 data, which provided the photometric redshifts of 530 groups/clusters. (iii) I developed an algorithm to identify the cluster candidates associated with spectroscopically targeted Luminous Red Galaxies (LRGs) in the SDSS-DR9 and to measure the cluster spectroscopic redshift, which provided 324 groups and clusters with spectroscopic confirmation based on spectroscopic redshift of at least one LRG. In total, the optically confirmed cluster sample comprises 574 groups and clusters with redshifts (0.03 ≤ z ≤ 0.77), which is the largest X-ray selected cluster catalogue to date based on observations from the current X-ray observatories (XMM-Newton, Chandra, Suzaku, and Swift/XRT). Among the cluster sample, about 75 percent are newly X-ray discovered groups/clusters and 40 percent are new systems to the literature. To determine the X-ray properties of the optically confirmed cluster sample, I reduced and analysed their X-ray data in an automated way following the standard pipelines of processing the XMM-Newton data. In this analysis, I extracted the cluster spectra from EPIC(PN, MOS1, MOS2) images within an optimal aperture chosen to maximise the signal-to-noise ratio. The spectral fitting procedure provided the X-ray temperatures kT (0.5 - 7.5 keV) for 345 systems that have good quality X-ray data. For all the optically confirmed cluster sample, I measured the physical properties L500 (0.5 x 10^42 – 1.2 x 10^45 erg s-1 ) and M500 (1.1 x 10^13 – 4.9 x 10^14 M⊙) from an iterative procedure using published scaling relations. The present X-ray detected groups and clusters are in the low and intermediate luminosity regimes apart from few luminous systems, thanks to the XMM-Newton sensitivity and the available XMM-Newton deep fields The optically confirmed cluster sample with measurements of redshift and X-ray properties can be used for various astrophysical applications. As a first application, I investigated the LX - T relation for the first time based on a large cluster sample of 345 systems with X-ray spectroscopic parameters drawn from a single survey. The current sample includes groups and clusters with wide ranges of redshifts, temperatures, and luminosities. The slope of the relation is consistent with the published ones of nearby clusters with higher temperatures and luminosities. The derived relation is still much steeper than that predicted by self-similar evolution. I also investigated the evolution of the slope and the scatter of the LX - T relation with the cluster redshift. After excluding the low luminosity groups, I found no significant changes of the slope and the intrinsic scatter of the relation with redshift when dividing the sample into three redshift bins. When including the low luminosity groups in the low redshift subsample, I found its LX - T relation becomes after than the relation of the intermediate and high redshift subsamples. As a second application of the optically confirmed cluster sample from our ongoing survey, I investigated the correlation between the cluster X-ray and the optical parameters that have been determined in a homogenous way. Firstly, I investigated the correlations between the BCG properties (absolute magnitude and optical luminosity) and the cluster global proper- ties (redshift and mass). Secondly, I computed the richness and the optical luminosity within R500 of a nearby subsample (z ≤ 0.42, with a complete membership detection from the SDSS data) with measured X-ray temperatures from our survey. The relation between the estimated optical luminosity and richness is also presented. Finally, the correlation between the cluster optical properties (richness and luminosity) and the cluster global properties (X-ray luminosity, temperature, mass) are investigated.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit habe ich die 2XMMi/SDSS Galaxienhaufendurchmusterung erstellt (2XMMi/SDSS galaxy cluster survey), eine Suche nach Galaxienhaufen welche auf der Detektion ausgedehnter Röntgenquellen im XMM-Newton Quellenkatalog (2XMMi-DR3) basiert. Die Hauptziele dieser Suche sind die Identifizierung bisher unbekannter röntgenheller Galaxienhaufen, die Erforschung ihrer Beziehungen zwischen Röntgenleuchtkraft und Temperatur (X-ray scaling relation), eine Entdeckung von möglichen weit entfernten Galaxienhaufen und die Beziehung zwischen Eigenschaften im Optischen und Röntgenbereich. Die Durchmusterung ist für alle Quellen der Himmelsregionen ausgelegt, die vom Sloan Digital Sky Survey (SDSS) erfasst werden. Das Ziel besteht darin, ihre optischen Gegenstücke zu finden und deren Rotverschiebungen zu bestimmen. Die gemeinsamen Himmelsareale zwischen XMM-Newton und dem Bildmaterial vom SDSS-DR7 umfassen 210 deg^2. Meine Durchmusterung enthält 1180 mögliche Galaxienhaufen mit wenigstens 80 vom Hintergrund bereinigten Photonen im Röntgenbereich, die einer Qualitätskontrolle erfolgreich standgehalten haben. Um die Rotverschiebungen der möglichen Galaxienhaufen im optischen Bereich zu bestimmen nutzte ich drei Vorgehensweisen: (i) Ein Abgleich jener Kandidaten mit den neuesten und umfangreichsten Katalogen optisch ausgewählter Galaxienhaufen, die in der Literatur verfügbar sind. (ii) Ich entwickelte einen Algorithmus, um Rotverschiebungen der optischen Gegenstücke aus Daten vom SDSS-DR8 zu ermitteln, welches zu photometrischen Rotverschiebungen von 530 Galaxiengruppen-/haufen führte. (iii) Ein weiterer von mir entwickelter Algorithmus nutzte die spektroskopischen Rotverschiebung von roten leuchtkräftigen Galaxien (LRGs) in den Daten des SDSS-DR9 und ergab 324 Gruppen und Haufen. Zusammengefasst enthält diese Probe 574 auch im optischen nachgewiesener Galaxiengruppen und -haufen mit bekannten Rotverschiebungen (0.03 ≤ z ≤ 0.77) - der zur Zeit umfangreichste Katalog von im Röntgenbereich ausgewählten Galaxienhaufen basierend auf aktuellen Röntgenbeobachtungen. Unter jenen Haufen waren ca. 75% im Röntgenbereich nicht bekannt und 40% fanden in der bisherigen Literatur noch keine Erwähnung. Um die Röntgeneigenschaften der im Optischen bestätigten Haufen zu bestimmen, war eine automatische Reduktion und Analyse der Röntgendaten unverzichtbar. Die Prozedur, welche Modelle an die Röntgenspektren anpasste, ergab Temperaturen kT von 0.5 – 7.5 keV für 345 Kandidaten. Für alle Haufen, die auch im optischen auffindbar waren, bestimmte ich die physikalischen Eigenschaften L500 (0.5 x 10^42 – 1.2 x 10^45 erg s^-1) und M500 (1.1 x 10^13 – 4.9 x 10^14 M⊙). Die Probe optisch bestätigter Galaxienhaufen mit gemessenen Rotverschiebungen und Röntgeneigenschaften kann für viele astrophysikalische Anwendungen genutzt werden. Als eine der ersten Anwendungen betrachtete ich die Beziehung zwischen LX - T; das erste Mal für eine so grosse Anzahl von 345 Objekten. Der aktuelle Katalog enthält Gruppen und Haufen, die einen grossen Bereich in Rotverschiebung, Temperatur und Helligkeit abdecken. Der Anstieg jener Beziehung ist im Einklang mit bereits publizierten Werten für nahegelegene Galaxienhaufen von hoher Temperatur und Helligkeit. Nach dem Ausschluss leuchtschwacher Gruppen und der Einteilung der Daten in drei nach Rotverschiebung geordneter Gruppen, waren keine signifikanten Änderungen von Anstieg und intrinsischer Streuung zu beobachten. Als zweite Anwendung unserer Durchmusterung, untersuchte ich die Haufen bezüglich deren Eigenschaften im Optischen und im Röntgenbereich. Zuerst betrachtete ich den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften (absolute Helligkeit und optische Leuchkraft) der hellsten Haufengalaxie (BCG) mit denen des Haufens als Ganzem (Rotverschiebung und Masse). Danach berechnete ich die Reichhaltigkeit der Galaxienhaufen und deren optische Leuchtkraft innerhalb von R500 für eine Stichprobe nahegelegener Haufen (z ≤ 0.42, hier sind SDSS Daten noch empfindlich genug um den Grossteil der Haufengalaxien abzubilden) mit gemessenen Röntgentemperaturen. Schlussendlich konnten dieWechselwirkungen zwischen den optischen Eigenschaften (Reichhaltigkeit und Leuchtkraft) und den globalen Eigenschaften (Röntgenleuchtkraft, Temperatur und Masse) näher untersucht werden.
KW  - hochenergetische Astrophysik
KW  - Röntgenastronomie
KW  - Galaxienhaufen
KW  - high energy astrophysics
KW  - X-ray astronomy
KW  - clusters of galaxies
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71229
ER  - 
TY  - THES
A1  - Inal, Sahika
T1  - Responsive polymers for optical sensing applications
T1  - Responsive Polymere für optische Sensoren
N2  - LCST-type synthetic thermoresponsive polymers can reversibly respond to certain stimuli in aqueous media with a massive change of their physical state. When fluorophores, that are sensitive to such changes, are incorporated into the polymeric structure, the response can be translated into a fluorescence signal. Based on this idea, this thesis presents sensing schemes which transduce the stimuli-induced variations in the solubility of polymer chains with covalently-bound fluorophores into a well-detectable fluorescence output. Benefiting from the principles of different photophysical phenomena, i.e. of fluorescence resonance energy transfer and solvatochromism, such fluorescent copolymers enabled monitoring of stimuli such as the solution temperature and ionic strength, but also of association/disassociation mechanisms with other macromolecules or of biochemical binding events through remarkable changes in their fluorescence properties. For instance, an aqueous ratiometric dual sensor for temperature and salts was developed, relying on the delicate supramolecular assembly of a thermoresponsive copolymer with a thiophene-based conjugated polyelectrolyte. Alternatively, by taking advantage of the sensitivity of solvatochromic fluorophores, an increase in solution temperature or the presence of analytes was signaled as an enhancement of the fluorescence intensity. A simultaneous use of the sensitivity of chains towards the temperature and a specific antibody allowed monitoring of more complex phenomena such as competitive binding of analytes. The use of different thermoresponsive polymers, namely poly(N-isopropylacrylamide) and poly(meth)acrylates bearing oligo(ethylene glycol) side chains, revealed that the responsive polymers differed widely in their ability to perform a particular sensing function. In order to address questions regarding the impact of the chemical structure of the host polymer on the sensing performance, the macromolecular assembly behavior below and above the phase transition temperature was evaluated by a combination of fluorescence and light scattering methods. It was found that although the temperature-triggered changes in the macroscopic absorption characteristics were similar for these polymers, properties such as the degree of hydration or the extent of interchain aggregations differed substantially. Therefore, in addition to the demonstration of strategies for fluorescence-based sensing with thermoresponsive polymers, this work highlights the role of the chemical structure of the two popular thermoresponsive polymers on the fluorescence response. The results are fundamentally important for the rational choice of polymeric materials for a specific sensing strategy.
N2  - Als Reaktion auf bestimmte äußere Stimuli ändern bestimmte wasserlösliche Polymere reversibel ihren physikalischen Zustand. Dieser Vorgang kann mithilfe von Fluorophoren, die in die Polymerstrukturen eingebaut werden und deren Fluoreszenzeigenschaften vom Polymer¬zustand abhängen, detektiert werden. Diese Idee ist der Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit, die sich damit beschäftigt, wie äußerlich induzierte Änderungen der Löslichkeit solcher Polymere mit kovalent gebundenen Fluorophoren in Wasser in ein deutlich messbares Fluoreszenzsignal übersetzt werden können. Dazu werden photophysikalische Phänomene wie Fluoreszenz-Resonanz¬energie¬transfer und Solvatochromie ausgenutzt. In Kombination mit einem responsiven Polymergerüst wird es möglich, verschiedene Stimuli wie Lösungs¬temperatur oder Ionenstärke, oder auch Assoziation-Dissoziation Reaktionen mit anderen Makromolekülen oder biochemische Bindungs¬reaktionen über die Änderung von Fluorezenz¬farbe bzw. –Intensität autonom mit bloßem Auge zu detektieren. Unter anderem wurde ein wässriger ratiometrischer Temperatur- und Salzsensor entwickelt, der auf der komplexen supramolekularen Struktur eines thermoresponsiven Copolymers und eines thiophenbasierten konjugierten Polyelektrolyts beruht. Die Anbindung solvato¬chromer Fluorophore erlaubte den empfindlichen Nachweis einer Temperatur¬änderung oder des Vorhandenseins von Analyten. Komplexere Phänomene wie das kompetitive Anbinden von Analyten ließen sich hochempfindlich steuern und auslesen, indem gleichzeitig die Sensitivität dieser Polymeren gegenüber der Temperatur und spezifischen Antikörpern ausgenutzt wurde. Überraschenderweise wiesen die hier untersuchten thermoresponsiven Polymere wie poly-N-isopropylacrylamid (pNIPAm) oder poly-Oligoethylenglykolmethacrylate (pOEGMA) große Unterschiede bzgl. ihrer responsiven optischen Eigenschaften auf. Dies erforderte eine ausführliche Charakterisierung des Fluoreszenz- und Aggregationsverhaltens, unter- und oberhalb des Phasenübergangs, im Bezug auf die chemische Struktur. Ein Ergebnis war, dass alle drei Polymertypen sehr ähnliche temperaturabhängige makroskopische Absorptionseigenschaften aufweisen, während sich die Eigenschaften auf molekularer Ebene, wie der Hydratisierungsgrad oder die intermolekulare Polymerkettenaggregation, bei diesen Polymeren sehr unterschiedlich. Diese Arbeit zeigt damit anhand zweier sehr etablierter thermoresponsiver Polymere, nämlich pNIPAm und pOEGMA, das die chemische Struktur entscheidend für den Einsatz dieser Polymere in fluoreszenzbasierten Sensoren ist. Diese Ergebnisse haben große Bedeutung für die gezielte Entwicklung von Polymermaterialien für fluoreszenzbasierte Assays.
KW  - Responsive Polymere
KW  - Fluoreszenz
KW  - Sensor
KW  - Konjugierten polyelektrolyt
KW  - responsive polymer
KW  - fluorescence
KW  - sensor
KW  - conjugated polyelectrolyte
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70806
ER  - 
TY  - THES
A1  - Guiducci, Lorenzo
T1  - Passive biomimetic actuators : the role of material architecture
T1  - Passive biomimetische aktuatoren : die Rolle der Materialarchitektur
N2  - Passive plant actuators have fascinated many researchers in the field of botany and structural biology since at least one century. Up to date, the most investigated tissue types in plant and artificial passive actuators are fibre-reinforced composites (and multilayered assemblies thereof) where stiff, almost inextensible cellulose microfibrils direct the otherwise isotropic swelling of a matrix. In addition, Nature provides examples of actuating systems based on lignified, low-swelling, cellular solids enclosing a high-swelling cellulosic phase. This is the case of the Delosperma nakurense seed capsule, in which a specialized tissue promotes the reversible opening of the capsule upon wetting. This tissue has a diamond-shaped honeycomb microstructure characterized by high geometrical anisotropy: when the cellulosic phase swells inside this constraining structure, the tissue deforms up to four times in one principal direction while maintaining its original dimension in the other. Inspired by the example of the Delosoperma nakurense, in this thesis we analyze the role of architecture of 2D cellular solids as models for natural hygromorphs. To start off, we consider a simple fluid pressure acting in the cells and try to assess the influence of several architectural parameters onto their mechanical actuation. Since internal pressurization is a configurational type of load (that is the load direction is not fixed but it “follows” the structure as it deforms) it will result in the cellular structure acquiring a “spontaneous” shape. This shape is independent of the load but just depends on the architectural characteristics of the cells making up the structure itself. Whereas regular convex tiled cellular solids (such as hexagonal, triangular or square lattices) deform isotropically upon pressurization, we show through finite element simulations that by introducing anisotropic and non-convex, reentrant tiling large expansions can be achieved in each individual cell. The influence of geometrical anisotropy onto the expansion behaviour of a diamond shaped honeycomb is assessed by FEM calculations and a Born lattice approximation. We found that anisotropic expansions (eigenstrains) comparable to those observed in the keels tissue of the Delosoperma nakurense are possible. In particular these depend on the relative contributions of bending and stretching of the beams building up the honeycomb. Moreover, by varying the walls’ Young modulus E and internal pressure p we found that both the eigenstrains and 2D elastic moduli scale with the ratio p/E. Therefore the potential of these pressurized structures as soft actuators is outlined. This approach was extended by considering several 2D cellular solids based on two types of non-convex cells. Each honeycomb is build as a lattice made of only one non-convex cell. Compared to usual honeycombs, these lattices have kinked walls between neighbouring cells which offers a hidden length scale allowing large directed deformations. By comparing the area expansion in all lattices, we were able to show that less convex cells are prone to achieve larger area expansions, but the direction in which the material expands is variable and depends on the local cell’s connectivity. This has repercussions both at the macroscopic (lattice level) and microscopic (cells level) scales. At the macroscopic scale, these non-convex lattices can experience large anisotropic (similarly to the diamond shaped honeycomb) or perfectly isotropic principal expansions, large shearing deformations or a mixed behaviour. Moreover, lattices that at the macroscopic scale expand similarly can show quite different microscopic deformation patterns that include zig-zag motions and radical changes of the initial cell shape. Depending on the lattice architecture, the microscopic deformations of the individual cells can be equal or not, so that they can build up or mutually compensate and hence give rise to the aforementioned variety of macroscopic behaviours. Interestingly, simple geometrical arguments involving the undeformed cell shape and its local connectivity enable to predict the results of the FE simulations. Motivated by the results of the simulations, we also created experimental 3D printed models of such actuating structures. When swollen, the models undergo substantial deformation with deformation patterns qualitatively following those predicted by the simulations. This work highlights how the internal architecture of a swellable cellular solid can lead to complex shape changes which may be useful in the fields of soft robotics or morphing structures.
N2  - Passive pflanzliche Aktuatoren sind bewegliche Strukturen, die eine komplexe Bewegung ohne jegliche metabolische Energiequelle erzeugen können. Diese Fähigkeit entstammt dabei der Materialverteilung mit unterschiedlicher Quellbarkeit innerhalb der Gewebsstruktur.Die bis heute am besten untersuchten Gewebearten pflanzlicher und künstlicher Passivaktuatoren sind Faserverbundwerkstoffe, in denen steife, fast undehnbare Zellulosemikrofibrillen die ansonsten isotrope Schwellung einer Matrix leiten. Darüber hinaus gibt es in der Natur Beispiele für Aktuationssysteme, wie z.B. die Delosoperma nakurense Samenkapsel, in der das Aktuatorgewebe eine Wabenstruktur aufweist, deren Zellen mit einem hochquellenden Material gefüllt sind. Dabei hat die Wabenstruktur des Gewebes eine hohe geometrische Anisotropie, so dass sich das Gewebe bei Wasseraufnahme bis zur vierfachen Länge entlang einer Hauptrichtung ausdehnt und somit die reversible Öffnung der Kapsel angetrieben wird. Inspiriert durch das Vorbild der Delosoperma nakurense, wird in der vorliegenden Arbeit die Rolle der Architektur von 2D-Zellulärmaterialien als Modell für natürliche passive Aktuatoren analysiert. Zunächst wird anhand eines einfachen Flüssigkeitsdrucks in den Zellen der Einfluss verschiedener architektonischer Parameter auf deren mechanische Betätigung untersucht. Wohingegen regelmäßige konvexe Wabenstrukturen (wie z. B. sechseckige, dreieckige oder quadratische Gitter) sich unter Druck isotropisch verformen, wird durch Finite-Elemente-Simulationen gezeigt, dass es bei anisotropen und nicht-konvexen Zellen zu großen Ausdehnungen jeder einzelnen Zelle kommt. Auch wenn nur eine einzelne Zellgeometrie betrachtet wird, können hierbei viele verschiedene Gitter entstehen. Die Ausdehnungsrichtung des Gitters ist variabel und hängt von der lokalen Konnektivität der Zellen ab. Dies hat Auswirkungen sowohl auf makroskopischer (Gitter-) als auch auf mikroskopischer (Zell-) Ebene. Auf makroskopischer Ebene erfahren diese nicht-konvexen Gitter entweder große anisotrope (ähnlich der Delosperma nakurense Samenkapsel) oder vollkommen isotrope Eigendehnungen, große Scherverformungen oder jeweilige Mischformen. Überdies können Gitter mit ähnlichem makroskopischem Verhalten gänzlich unterschiedliche mikroskopische Verformungsmuster zeigen, wie z.B. Zick-Zack-Bewegungen oder radikale Änderungen der ursprünglichen Zellform. Dies verursacht auch eine entsprechende Änderung der elastischen Eigenschaften. In Abhängigkeit der Gitterarchitektur kann es zu gleichen oder unterschiedlichen mikroskopischen Zelldeformationen kommen, die sich in Summe entweder verstärken oder ausgleichen, und somit die Vielzahl an makroskopischen Verhalten erklären. Interessanterweise lassen sich mit Hilfe einfacher geometrischer Argumente aus der nichtdeformierten Zellform und Zellkonnektivität die Ergebnisse der FE-Simulationen vorhersagen. Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulationen wurden durch Laborversuche bestätigt, in denen (mit 3D-Drucktechnik gefertigte) Modellgitter ähnliches Ausdehnungsverhalten beim Quellen zeigen. Diese Arbeit zeigt auf, wie die Innenarchitektur eines quellfähigen zellulären Feststoffs zu komplexen Formänderungen führen kann, die in den Bereichen der Soft-Robotik oder bei Morphing-Strukturen angewandt werden können.
KW  - Aktuatoren
KW  - Zellulärmaterialien
KW  - Sorption
KW  - cellular materials
KW  - actuating materials
KW  - swelling
KW  - reconfigurable matter
KW  - architectured materials
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70446
ER  - 
TY  - THES
A1  - Piffl, Tilmann
T1  - Models of the Galaxy and the massive spectroscopic stellar survey RAVE
T1  - Modelle der Milchstrasse und die spektroskopische Himmelsdurchmusterung RAVE
N2  - Numerical simulations of galaxy formation and observational Galactic Astronomy are two fields of research that study the same objects from different perspectives. Simulations try to understand galaxies like our Milky Way from an evolutionary point of view while observers try to disentangle the current structure and the building blocks of our Galaxy. Due to great advances in computational power as well as in massive stellar surveys we are now able to compare resolved stellar populations in simulations and in observations. In this thesis we use a number of approaches to relate the results of the two fields to each other. The major observational data set we refer to for this work comes from the Radial Velocity Experiment (RAVE), a massive spectroscopic stellar survey that observed almost half a million stars in the Galaxy. In a first study we use three different models of the Galaxy to generate synthetic stellar surveys that can be directly compared to the RAVE data. To do this we evaluate the RAVE selection function to great detail. Among the Galaxy models is the widely used Besancon model that performs well when individual parameter distribution are considered, but fails when we study chemodynamic correlations. The other two models are based on distributions of mass particles instead of analytical distribution functions. This is the first time that such models are converted to the space of observables and are compared to a stellar survey. We show that these models can be competitive and in some aspects superior to analytic models, because of their self-consistent dynamic history. In the case of a full cosmological simulation of disk galaxy formation we can recover features in the synthetic survey that relate to the known issues of the model and hence proof that our technique is sensitive to the global structure of the model. We argue that the next generation of cosmological galaxy formation simulations will deliver valuable models for our Galaxy. Testing these models with our approach will provide a direct connection between stellar Galactic astronomy and physical cosmology. In the second part of the thesis we use a sample of high-velocity halo stars from the RAVE data to estimate the Galactic escape speed and the virial mass of the Milky Way. In the course of this study cosmological simulations of galaxy formation also play a crucial role. Here we use them to calibrate and extensively test our analysis technique. We find the local Galactic escape speed to be 533 (+54/-41) km/s (90% confidence). With this result in combination with a simple mass model of the Galaxy we then construct an estimate of the virial mass of the Galaxy. For the mass profile of the dark matter halo we use two extreme models, a pure Navarro, Frenk & White (NFW) profile and an adiabatically contracted NFW profile. When we use statistics on the concentration parameter of these profile taken from large dissipationless cosmological simulations we obtain an estimate of the virial mass that is almost independent of the choice of the halo profile. For the mass M_340 enclosed within R_340 = 180 kpc we find 1.3 (+0.4/-0.3) x 10^12 M_sun. This value is in very good agreement with a number of other mass estimates in the literature that are based on independent data sets and analysis techniques. In the last part of this thesis we investigate a new possible channel to generate a population of Hypervelocity stars (HVSs) that is observed in the stellar halo. Commonly, it is assumed that the velocities of these stars originate from an interaction with the super-massive black hole in the Galactic center. It was suggested recently that stars stripped-off a disrupted satellite galaxy could reach similar velocities and leave the Galaxy. Here we study in detail the kinematics of tidal debris stars to investigate the probability that the observed sample of HVSs could partly originate from such a galaxy collision. We use a suite of $N$-body simulations following the encounter of a satellite galaxy with its Milky Way-type host galaxy. We quantify the typical pattern in angular and phase space formed by the debris stars and develop a simple model that predicts the kinematics of stripped-off stars. We show that the distribution of orbital energies in the tidal debris has a typical form that can be described quite accurately by a simple function. The main parameters determining the maximum energy kick a tidal debris star can get is the initial mass of the satellite and only to a lower extent its orbit. Main contributors to an unbound stellar population created in this way are massive satellites (M_sat > 10^9 M_sun). The probability that the observed HVS population is significantly contaminated by tidal debris stars appears small in the light of our results.
N2  - Ein häufig verfolgter Ansatz Galaxien wie unsere Milchstraße besser zu verstehen, sind numerische Simulationen, d.h. das Nachvollziehen ihrer Entstehung und Entwicklung mit Hilfe von Computern. Dieses Vorgehen erlaubt das Betrachten solcher Objekte von einem evolutionären Standpunkt aus. Eine andere Herangehensweise verfolgt die Galaktische Astronomie, welche über Sternbeobachtungen den aktuellen Zustand der Milchstraße untersucht. Hier wird versucht, die konstitutiven Bestandteile unserer Galaxie zu erkennen, um dadurch ein besseres Verständnis ihrer Struktur zu erlangen. Die enorme Rechenleistung moderner Supercomputer und die Entwicklungssprünge im Bereich der digitalen Himmelsdurchmusterungen haben dazu geführt, dass inzwischen mit beiden Ansätzen vergleichbare Populationen von einzeln beobachtbaren Sternen studiert werden können. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Möglichkeiten untersucht, die Ergebnisse dieser beiden astrophysikalischen Disziplinen, welche bislang weitgehend getrennt von einander betrieben wurden, sinnvoll zu kombinieren. Der überwiegende Teil der Beobachtungsdaten, die dabei verwendet werden, wurde im Zuge des Radial Velocity Experiments (RAVE) gesammelt, einer spektroskopischen Durchmusterung der Sterne fast des gesamten Südhimmels. Um die Daten des RAVE-Projekts statistisch auswerten zu können, musste zuerst die detaillierte Auswahlfunktion der Durchmusterung rekonstruiert werden, d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass ein Stern von RAVE beobachtet wurde, musste, in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Sterns, bestimmt werden. Der Hauptteil der Dissertation gliedert sich in drei weitgehend unabhängige Studien. Im ersten Teil wird die oben erwähnte Auswahlfunktion benutzt, um voraus zu sagen, was das RAVE Projekt beobachtet hätte, falls bestimmte theoretische Modelle unserer Milchstraße zu träfen. Auf diese Art und Weise umgehe ich das problematische Unterfangen, die Beobachtungsdaten zu einem physikalischen Modell zu verallgemeinern. Die Problematik hierbei liegt darin, dass astronomische Beobachtungen nicht direkt physikalisch relevante Größen, wie Massen oder Alter der Sterne, liefern, sondern scheinbare Helligkeiten oder Winkelpositionen. In dieser Studie wird der umgekehrte Weg beschritten und synthetische Beobachtungen aus den Modellen generiert. Untersucht wurden dabei sowohl klassische analytische Modelle als auch Modelle, die aus numerischen Simulationen resultieren. Letztere wurden zu ersten Mal überhaupt auf diese Art und Weise getestet und es zeigt sich, dass solche Modelle den klassischen in bestimmten Aspekten, die mit der Entwicklungsgeschichte der Milchstraße verknüpft sind, überlegen sind. Im zweiten Teil der Arbeit werden die RAVE-Daten benutzt um die Masse der Milchstraße, bzw. die Masse der in ihr enthaltenen dunklen Materie, ab zu schätzen. Zur Eichung der Analysemethode wird dabei wieder auf Ergebnisse von Simulationen zurück gegriffen, die die Entwicklung von ähnlichen Galaxien wie der Milchstraße verfolgt haben. Zuerst wird die lokale Entweichgeschwindigkeit, d.h. die Mindestgeschwindigkeit, die ein Körper benötigt, um unsere Galaxie zu verlassen, bestimmt. Die beste Abschätzung beträgt 533 (+54/-41) km/s. Anhand dieser Schätzung kann, in Kombination mit vereinfachten analytischen Modellen der Materieverteilung in unserer Galaxie, die Masse der Milchstraße innerhalb von 180 kpc auf 1,3 (+0,4/-0,3) x 10^12 Sonnenmassen bestimmt werden. Dieses Ergebnis bestätigt frühere unabhängige Massenschätzungen, die auf anderen Beobachtungsdaten und anderen Analysestrategien basieren. Im letzten Teil der Arbeit wird eine spezielle Population von Sternen im Außenbereich unserer Galaxie untersucht, sogenannte Hyperschnellläufersterne (HSS). Diese wurde in einer weiteren Himmelsdurchmusterung, dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS), gefunden. Die Besonderheit dieser Sterne besteht in ihren extrem hohen Geschwindigkeiten oberhalb der Entweichgeschwindigkeit. Allgemein wird angenommen, dass die Sterne ihre Geschwindigkeiten im Zuge der Spaltung eines Doppelsternsystems durch Gezeitenkräfte nahe des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße erreichen. Vor Kurzem wurde jedoch ein alternatives Szenario vorgeschlagen. Nach diesem können solche Sterne auch während des Einfalls einer Satellitengalaxie auf die Milchstraße entstehen. Diese Hypothese wird anhand von numerischen Simulationen, die diese Situation nachbilden, getestet. Es zeigt sich, dass HSS auf diese Weise entstehen können, aber dass die beobachtete Population höchstwahrscheinlich einen anderen Ursprung hat.
KW  - RAVE
KW  - Milchstrassenmasse
KW  - Hyperschnellläufersterne
KW  - Pseudobeobachtungen
KW  - RAVE
KW  - galactic structure
KW  - hypervelocity stars
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70371
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TY  - THES
A1  - Theves, Matthias
T1  - Bacterial motility and growth in open and confined environments
T1  - Bacterial motility and growth in open and confined environments
N2  - In the presence of a solid-liquid or liquid-air interface, bacteria can choose between a planktonic and a sessile lifestyle. Depending on environmental conditions, cells swimming in close proximity to the interface can irreversibly attach to the surface and grow into three-dimensional aggregates where the majority of cells is sessile and embedded in an extracellular polymer matrix (biofilm). We used microfluidic tools and time lapse microscopy to perform experiments with the polarly flagellated soil bacterium Pseudomonas putida (P. putida), a bacterial species that is able to form biofilms. We analyzed individual trajectories of swimming cells, both in the bulk fluid and in close proximity to a glass-liquid interface. Additionally, surface related growth during the early phase of biofilm formation was investigated. In the bulk fluid, P.putida shows a typical bacterial swimming pattern of alternating periods of persistent displacement along a line (runs) and fast reorientation events (turns) and cells swim with an average speed around 24 micrometer per second. We found that the distribution of turning angles is bimodal with a dominating peak around 180 degrees. In approximately six out of ten turning events, the cell reverses its swimming direction. In addition, our analysis revealed that upon a reversal, the cell systematically changes its swimming speed by a factor of two on average. Based on the experimentally observed values of mean runtime and rotational diffusion, we presented a model to describe the spreading of a population of cells by a run-reverse random walker with alternating speeds. We successfully recover the mean square displacement and, by an extended version of the model, also the negative dip in the directional autocorrelation function as observed in the experiments. The analytical solution of the model demonstrates that alternating speeds enhance a cells ability to explore its environment as compared to a bacterium moving at a constant intermediate speed. As compared to the bulk fluid, for cells swimming near a solid boundary we observed an increase in swimming speed at distances below d= 5 micrometer and an increase in average angular velocity at distances below d= 4 micrometer. While the average speed was maximal with an increase around 15% at a distance of d= 3 micrometer, the angular velocity was highest in closest proximity to the boundary at d=1 micrometer with an increase around 90% as compared to the bulk fluid. To investigate the swimming behavior in a confinement between two solid boundaries, we developed an experimental setup to acquire three-dimensional trajectories using a piezo driven objective mount coupled to a high speed camera. Results on speed and angular velocity were consistent with motility statistics in the presence of a single boundary. Additionally, an analysis of the probability density revealed that a majority of cells accumulated near the upper and lower boundaries of the microchannel. The increase in angular velocity is consistent with previous studies, where bacteria near a solid boundary were shown to swim on circular trajectories, an effect which can be attributed to a wall induced torque. The increase in speed at a distance of several times the size of the cell body, however, cannot be explained by existing theories which either consider the drag increase on cell body and flagellum near a boundary (resistive force theory) or model the swimming microorganism by a multipole expansion to account for the flow field interaction between cell and boundary. An accumulation of swimming bacteria near solid boundaries has been observed in similar experiments. Our results confirm that collisions with the surface play an important role and hydrodynamic interactions alone cannot explain the steady-state accumulation of cells near the channel walls. Furthermore, we monitored the number growth of cells in the microchannel under medium rich conditions. We observed that, after a lag time, initially isolated cells at the surface started to grow by division into colonies of increasing size, while coexisting with a comparable smaller number of swimming cells. After 5:50 hours, we observed a sudden jump in the number of swimming cells, which was accompanied by a breakup of bigger clusters on the surface. After approximately 30 minutes where planktonic cells dominated in the microchannel, individual swimming cells reattached to the surface. We interpret this process as an emigration and recolonization event. A number of complementary experiments were performed to investigate the influence of collective effects or a depletion of the growth medium on the transition. Similar to earlier observations on another bacterium from the same family we found that the release of cells to the swimming phase is most likely the result of an individual adaption process, where syntheses of proteins for flagellar motility are upregulated after a number of division cycles at the surface.
N2  - Bakterien sind einzellige Mikroorganismen, die sich in flüssigem Medium mit Hilfe von rotierenden Flagellen, länglichen Fasern aus Proteinen, schwimmend fortbewegen. In Gegenwart einer Grenzfläche und unter günstigen Umweltbedingungen siedeln sich Bakterien an der Oberfläche an und gehen in eine sesshafte Wachstumsphase über. Die Wachstumsphase an der Oberfläche ist gekennzeichnet durch das Absondern von klebrigen, nährstoffreichen extrazellulären Substanzen, welche die Verbindung der Bakterien untereinander und mit der Oberfläche verstärken. Die entstehenden Aggregate aus extrazellulärer Matrix und Bakterien werden als Biofilm bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir ein Bodenbakterium, Pseudomonas putida (P. putida), welches in wässriger Umgebung an festen Oberflächen Biofilme ausbildet. Wir benutzten photolithographisch hergestellte Mikrokanäle und Hochgeschwindigkeits-Videomikroskopie um die Bewegung schwimmender Zellen in verschiedenen Abständen zu einer Glasoberfläche aufzunehmen. Zusätzlich wurden Daten über das parallel stattfindende Wachstum der sesshaften Zellen an der Oberfläche aufgezeichnet. Die Analyse von Trajektorien frei schwimmender Zellen zeigte, dass sich Liniensegmente, entlang derer sich die Zellen in eine konstante Richtung bewegen, mit scharfen Kehrtwendungen mit einem Winkel von 180 Grad abwechseln. Dabei änderte sich die Schwimmgeschwindigket von einem zum nächsten Segment im Mittel um einen Faktor von 2. Unsere experimentellen Daten waren die Grundlage für ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Zellbewegung mit alternierender Geschwindigkeit. Die analytische Lösung des Modells zeigt elegant, dass eine Population von Bakterien, welche zwischen zwei Geschwindigkeiten wechseln, signifikant schneller expandiert als eine Referenzpopulation mit Bakterien konstanter Schwimmgeschwindkeit. Im Vergleich zu frei schwimmenden Bakterien beobachteten wir in der Nähe der Oberfläche eine um 15% erhöhte Schwimmgeschwindigkeit der Zellen und eine um 90 % erhöhte Winkel-geschwindigkeit. Außerdem wurde eine signifikant höhere Zelldichte in der Nähe der Grenzfläche gemessen. Während sich der Anstieg in der Winkelgeschwindigkeit durch ein Drehmoment erklären lässt, welches in Oberflächennähe auf den rotierenden Zellkörper und die rotierenden Flagellen wirkt, kann die Beschleunigung und Akkumulation der Zellen bei dem beobachteten Abstand nicht durch existierende Theorien erklärt werden. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass neben hydrodynamischen Effekten auch Kollisionen mit der Oberfläche eine wichtige Rolle spielen und sich die Rotationsgeschwindigkeit der Flagellenmotoren in der Nähe einer festen Oberfläche grundsätzlich verändert. Unsere Experimente zum Zellwachstum an Oberflächen zeigten, dass sich etwa sechs Stunden nach Beginn des Experiments größere Kolonien an der Kanaloberfläche auflösen und Zellen für ca. 30 Minuten zurück in die schwimmende Phase wechseln. Ergebnisse von mehreren Vergleichsexperimenten deuten darauf hin, dass dieser Übergang nach einer festen Anzahl von Zellteilungen an der Oberfläche erfolgt und nicht durch den Verbrauch des Wachstumsmediums bedingt wird.
KW  - Pseudomonas putida
KW  - Motilität
KW  - Flagellenbewegung
KW  - Random-Walk-Theorie
KW  - Schwimmende Mikroorganismen
KW  - pseudomonas putida
KW  - motility
KW  - flagellar filaments
KW  - random walk
KW  - cell tracking
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70313
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pingel, Patrick
T1  - Morphology, charge transport properties, and molecular doping of thiophene-based organic semiconducting thin films
T1  - Morphologie, Ladungstransporteigenschaften und molekulares Dotieren thiophenbasierter organischer Halbleiterschichten
N2  - Organic semiconductors combine the benefits of organic materials, i.e., low-cost production, mechanical flexibility, lightweight, and robustness, with the fundamental semiconductor properties light absorption, emission, and electrical conductivity. This class of material has several advantages over conventional inorganic semiconductors that have led, for instance, to the commercialization of organic light-emitting diodes which can nowadays be found in the displays of TVs and smartphones. Moreover, organic semiconductors will possibly lead to new electronic applications which rely on the unique mechanical and electrical properties of these materials. In order to push the development and the success of organic semiconductors forward, it is essential to understand the fundamental processes in these materials. This thesis concentrates on understanding how the charge transport in thiophene-based semiconductor layers depends on the layer morphology and how the charge transport properties can be intentionally modified by doping these layers with a strong electron acceptor. By means of optical spectroscopy, the layer morphologies of poly(3-hexylthiophene), P3HT, P3HT-fullerene bulk heterojunction blends, and oligomeric polyquaterthiophene, oligo-PQT-12, are studied as a function of temperature, molecular weight, and processing conditions. The analyses rely on the decomposition of the absorption contributions from the ordered and the disordered parts of the layers. The ordered-phase spectra are analyzed using Spano’s model. It is figured out that the fraction of aggregated chains and the interconnectivity of these domains is fundamental to a high charge carrier mobility. In P3HT layers, such structures can be grown with high-molecular weight, long P3HT chains. Low and medium molecular weight P3HT layers do also contain a significant amount of chain aggregates with high intragrain mobility; however, intergranular connectivity and, therefore, efficient macroscopic charge transport are absent. In P3HT-fullerene blend layers, a highly crystalline morphology that favors the hole transport and the solar cell efficiency can be induced by annealing procedures and the choice of a high-boiling point processing solvent. Based on scanning near-field and polarization optical microscopy, the morphology of oligo-PQT-12 layers is found to be highly crystalline which explains the rather high field-effect mobility in this material as compared to low molecular weight polythiophene fractions. On the other hand, crystalline dislocations and grain boundaries are identified which clearly limit the charge carrier mobility in oligo-PQT-12 layers. The charge transport properties of organic semiconductors can be widely tuned by molecular doping. Indeed, molecular doping is a key to highly efficient organic light-emitting diodes and solar cells. Despite this vital role, it is still not understood how mobile charge carriers are induced into the bulk semiconductor upon the doping process. This thesis contains a detailed study of the doping mechanism and the electrical properties of P3HT layers which have been p-doped by the strong molecular acceptor tetrafluorotetracyanoquinodimethane, F4TCNQ. The density of doping-induced mobile holes, their mobility, and the electrical conductivity are characterized in a broad range of acceptor concentrations. A long-standing debate on the nature of the charge transfer between P3HT and F4TCNQ is resolved by showing that almost every F4TCNQ acceptor undergoes a full-electron charge transfer with a P3HT site. However, only 5% of these charge transfer pairs can dissociate and induce a mobile hole into P3HT which contributes electrical conduction. Moreover, it is shown that the left-behind F4TCNQ ions broaden the density-of-states distribution for the doping-induced mobile holes, which is due to the longrange Coulomb attraction in the low-permittivity organic semiconductors.
N2  - Organische Halbleiter kombinieren die molekulare Vielfalt und Anpassbarkeit, die mechanische Flexibilität und die preisgünstige Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen mit fundamentalen Halbleitereigenschaften wie Lichtabsorption und -emission und elektrischer Leitfähigkeit. Unlängst finden organische Leuchtdioden Anwendung in den Displays von TV-Geräten und Smartphones. Für die weitere Entwicklung und den Erfolg organischer Halbleiter ist das Verständnis derer physikalischer Grundlagen unabdingbar. Ein für viele Bauteile fundamentaler Prozess ist der Transport von Ladungsträgern in der organischen Schicht. Die Ladungstransporteigenschaften werden maßgeblich durch die Struktur dieser Schicht bestimmt, z.B. durch den Grad der molekularen Ordnung, die molekulare Verbindung von kristallinen Domänen und durch Defekte der molekularen Packung. Mittels optischer Spektroskopie werden in dieser Arbeit die temperatur-, molekulargewichts- und lösemittelabhängigen Struktureigenschaften poly- und oligothiophenbasierter Schichten untersucht. Dabei basiert die Analyse der Absorptionsspektren auf der Zerlegung in die spezifischen Anteile geordneten und ungeordneten Materials. Es wird gezeigt, dass sich hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten dann erreichen lassen, wenn der Anteil der geordneten Bereiche und deren molekulare Verbindung in den Schichten möglichst hoch und die energetische Unordnung in diesen Bereichen möglichst klein ist. Der Ladungstransport in organischen Halbleitern kann außerdem gezielt beeinflusst werden, indem die Ladungsträgerdichte und die elektrische Leitfähigkeit durch molekulares Dotieren, d.h. durch das Einbringen von Elektronenakzeptoren oder -donatoren, eingestellt werden. Obwohl der Einsatz dotierter Schichten essentiell für effiziente Leuchtdioden und Solarzellen ist, ist der Mechanismus, der zur Erzeugung freier Ladungsträger im organischen Halbleiter führt, derzeit unverstanden. In dieser Arbeit wird der Ladungstransfer zwischen dem prototypischen Elektronendonator P3HT und dem Akzeptor F4TCNQ untersucht. Es wird gezeigt, dass, entgegen verbreiteter Vorstellungen, fast alle F4TCNQ-Akzeptoren einen ganzzahligen Ladungstransfer mit P3HT eingehen, aber nur 5% dieser Paare dissoziieren und einen beweglichen Ladungsträger erzeugen, der zur elektrischen Leitfähigkeit beiträgt. Weiterhin wird gezeigt, dass die zurückgelassenen F4TCNQ-Akzeptorionen Fallenzustände für die beweglichen Ladungsträger darstellen und so die Ladungsträgerbeweglichkeit in P3HT bei schwacher Dotierung absinkt. Die elektrischen Kenngrößen Ladungsträgerkonzentration, Beweglichkeit und Leitfähigkeit von F4TCNQ-dotierten P3HT-Schichten werden in dieser Arbeit erstmals in weiten Bereichen verschiedener Akzeptorkonzentrationen untersucht.
KW  - Polythiophen
KW  - organische Elektronik
KW  - molekulares Dotieren
KW  - organischer Halbleiter
KW  - Morphologie
KW  - polythiohene
KW  - organic electronics
KW  - molecular doping
KW  - organic semiconductor
KW  - morphology
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69805
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TY  - THES
A1  - Boedecker, Geesche
T1  - Resonance Fluorescence in a Photonic Crystal
T1  - Resonanzfluoreszenz im photonischen Kristall
N2  - The problem under consideration in the thesis is a two level atom in a photonic crystal and a pumping laser. The photonic crystal provides an environment for the atom, that modifies the decay of the exited state, especially if the atom frequency is close to the band gap. The population inversion is investigated als well as the emission spectrum. The dynamics is analysed in the context of open quantum systems. Due to the multiple reflections in the photonic crystal, the system has a finite memory that inhibits the Markovian approximation. In the Heisenberg picture the equations of motion for the system variables form a infinite hierarchy of integro-differential equations. To get a closed system, approximations like a weak coupling approximation are needed. The thesis starts with a simple photonic crystal that is amenable to analytic calculations: a one-dimensional photonic crystal, that consists of alternating layers. The Bloch modes inside and the vacuum modes outside a finite crystal are linked with a transformation matrix that is interpreted as a transfer matrix. Formulas for the band structure, the reflection from a semi-infinite crystal, and the local density of states in absorbing crystals are found; defect modes and negative refraction are discussed. The quantum optics section of the work starts with the discussion of three problems, that are related to the full resonance fluorescence problem: a pure dephasing model, the driven atom and resonance fluorescence in free space. In the lowest order of the system-environment coupling, the one-time expectation values for the full problem are calculated analytically and the stationary states are discussed for certain cases. For the calculation of the two time correlation functions and spectra, the additional problem of correlations between the two times appears. In the Markovian case, the quantum regression theorem is valid. In the general case, the fluctuation dissipation theorem can be used instead. The two-time correlation functions are calculated by the two different methods. Within the chosen approximations, both methods deliver the same result. Several plots show the dependence of the spectrum on the parameters. Some examples for squeezing spectra are shown with different approximations. A projection operator method is used to establish two kinds of Markovian expansion with and without time convolution. The lowest order is identical with the lowest order of system environment coupling, but higher orders give different results.
N2  - Die Arbeit befasst sich mit der Emission eines 2-Niveau-Atoms in einem photonischen Kristall mit einem treibenden Laser. Der photonische Kristall stellt für das Atom eine Umgebung dar, die seinen Zerfall verändert, insbesondere wenn die Übergangsfrequenz des Atoms nahe an der Bandkante ist. Es werden sowohl die Besetzungen als auch das Emissionsspektrum untersucht. Die Dynamik wird im Kontext offener Quantensysteme analysiert. Durch die vielfachen Reflexionen im photonischen Kristall hat das System ein endliches Gedächtnis, das die Markov-Näherung verhindert. Im Heisenberg-Bild stellen die Bewegungsgleichungen für die Systemvariablen eineunendliche Hierachie von Integro-Differentialgleichungen dar. Um ein geschlossenes System zu erhalten, sind Näherungen wie eine schwache Kopplung nötig. Zunächst wird ein einfacher photonischer Kristall betrachtet.: Der eindimensionale photonische Kristall, der aus wechselnden Lagen besteht. Die Blochmoden innerhalb und die Vakuummoden außerhalb des endlichen photonischen Kristalls sind durch eine Transformationsmatrix, die als Transfermatrix interpretiert werden kann, miteinander verbunden. Einfache Formeln für die Bandstruktur, Reflexion eines halb-unendlichen Kristalls, die lokale Zustandsdichte im absorbierenden Kristall werden gefunden; außerdem werden Defektmoden und negative Brechung diskutiert. Im quantenoptischen Teil der Arbeit werden zu Anfang drei Probleme diskutiert, die im Zusammenhang zum Problem der Resonanzfluoreszenz stehen und die analytisch berechnet werden können: Ein Dephasierungsmodell, das getriebenen Atom und Resonanzfluoreszenz im freien Raum. In der niedrigsten Ordnung der System-Bad-Kopplung werden die Erwartungswerte analytisch berechnet und die stationären Zustände werden für bestimmte Fälle diskutiert. Bei der Berechnung der Zweizeitkorrelationsfunktion und der Spektren taucht das zusätzliche Problem der Korrelationen zwischen den beiden Zeiten auf. Im Markov-Fall gilt das Quantenregressionstheorem. Im allgemeinen Fall kann stattdessen das Fluktuations-Dissipations-Theorem benutzt werden. Die Korrelationsfunktionen werden mit zwei verschiedenen Methoden berechnet. Innerhalb der gewählten Näherungen liefern beide Methoden dasselbe Resultat. Einige Plots zeigen die Abhängigkeit des Spektrums von den verschiedenen Parametern. Mehrere Beispiele für Squeezing-Spektren werden mit den verschiedenen Näherungen gezeigt. Eine Projektions-Operator-Methode wird benutzt, um zwei Arten einer Markov-Entwicklung zu implementieren, mit und ohne Faltungsintegral. Die niedrigste Ordnung ist identisch mit der niedrigsten Ordnung der System-Bad-Kopplung, wohingegen höhere Ordnungen andere Resultate ergeben.
KW  - Photonischer Kristall
KW  - offenes Quantensystem
KW  - Resonanzfluoreszenz
KW  - Fluktuations-Dissipations-Theorem
KW  - nicht-Markovsche Dynamik
KW  - photonic crystal
KW  - open quantum system
KW  - resonance fluorescence
KW  - fluctuation dissipation theorem
KW  - non-Markovian dynamics
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69591
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TY  - THES
A1  - Patra, Pintu
T1  - Population dynamics of bacterial persistence
T1  - Populationsdynamik von Bakterielle Persistenz
N2  - The life of microorganisms is characterized by two main tasks, rapid growth under conditions permitting growth and survival under stressful conditions. The environments, in which microorganisms dwell, vary in space and time. The microorganisms innovate diverse strategies to readily adapt to the regularly fluctuating environments. Phenotypic heterogeneity is one such strategy, where an isogenic population splits into subpopulations that respond differently under identical environments. Bacterial persistence is a prime example of such phenotypic heterogeneity, whereby a population survives under an antibiotic attack, by keeping a fraction of population in a drug tolerant state, the persister state. Specifically, persister cells grow more slowly than normal cells under growth conditions, but survive longer under stress conditions such as the antibiotic administrations. Bacterial persistence is identified experimentally by examining the population survival upon an antibiotic treatment and the population resuscitation in a growth medium. The underlying population dynamics is explained with a two state model for reversible phenotype switching in a cell within the population. We study this existing model with a new theoretical approach and present analytical expressions for the time scale observed in population growth and resuscitation, that can be easily used to extract underlying model parameters of bacterial persistence. In addition, we recapitulate previously known results on the evolution of such structured population under periodically fluctuating environment using our simple approximation method. Using our analysis, we determine model parameters for Staphylococcus aureus population under several antibiotics and interpret the outcome of cross-drug treatment. Next, we consider the expansion of a population exhibiting phenotype switching in a spatially structured environment consisting of two growth permitting patches separated by an antibiotic patch. The dynamic interplay of growth, death and migration of cells in different patches leads to distinct regimes in population propagation speed as a function of migration rate. We map out the region in parameter space of phenotype switching and migration rate to observe the condition under which persistence is beneficial. Furthermore, we present an extended model that allows mutation from the two phenotypic states to a resistant state. We find that the presence of persister cells may enhance the probability of resistant mutation in a population. Using this model, we explain the experimental results showing the emergence of antibiotic resistance in a Staphylococcus aureus population upon tobramycin treatment. In summary, we identify several roles of bacterial persistence, such as help in spatial expansion, development of multidrug tolerance and emergence of antibiotic resistance. Our study provides a theoretical perspective on the dynamics of bacterial persistence in different environmental conditions. These results can be utilized to design further experiments, and to develop novel strategies to eradicate persistent infections.
N2  - Das Leben von Mikroorganismen kann in zwei charakteristische Phasen unterteilt werde, schnelles Wachstum unter Wachstumsbedingungen und Überleben unter schwierigen Bedingungen. Die Bedingungen, in denen sich die Mikroorganismen aufhalten, verändern sich in Raum und Zeit. Um sich schnell an die ständig wechselnden Bedingungen anzupassen entwickeln die Mikroorganismen diverse Strategien. Phänotypische Heterogenität ist eine solche Strategie, bei der sich eine isogene Popolation in Untergruppen aufteilt, die unter identischen Bedingungen verschieden reagieren. Bakterielle Persistenz ist ein Paradebeispiel einer solchen phänotypischen Heterogenität. Hierbei überlebt eine Popolation die Behandlung mit einem Antibiotikum, indem sie einen Teil der Bevölkerung in einem, dem Antibiotikum gegenüber tolerant Zustand lässt, der sogenannte "persister Zustand". Persister-Zellen wachsen unter Wachstumsbedingungen langsamer als normale Zellen, jedoch überleben sie länger in Stress-Bedingungen, wie bei Antibiotikaapplikation. Bakterielle Persistenz wird experimentell erkannt indem man überprüft ob die Population eine Behandlung mit Antibiotika überlebt und sich in einem Wachstumsmedium reaktiviert. Die zugrunde liegende Popolationsdynamik kann mit einem Zwei-Zustands-Modell für reversibles Wechseln des Phänotyps einer Zelle in der Bevölkerung erklärt werden. Wir untersuchen das bestehende Modell mit einem neuen theoretischen Ansatz und präsentieren analytische Ausdrücke für die Zeitskalen die für das Bevölkerungswachstums und die Reaktivierung beobachtet werden. Diese können dann einfach benutzt werden um die Parameter des zugrunde liegenden bakteriellen Persistenz-Modells zu bestimmen. Darüber hinaus rekapitulieren wir bisher bekannten Ergebnisse über die Entwicklung solch strukturierter Bevölkerungen unter periodisch schwankenden Bedingungen mithilfe unseres einfachen Näherungsverfahrens. Mit unserer Analysemethode bestimmen wir Modellparameter für eine Staphylococcus aureus-Popolation unter dem Einfluss mehrerer Antibiotika und interpretieren die Ergebnisse der Behandlung mit zwei Antibiotika in Folge. Als nächstes betrachten wir die Ausbreitung einer Popolation mit Phänotypen-Wechsel in einer räumlich strukturierten Umgebung. Diese besteht aus zwei Bereichen, in denen Wachstum möglich ist und einem Bereich mit Antibiotikum der die beiden trennt. Das dynamische Zusammenspiel von Wachstum, Tod und Migration von Zellen in den verschiedenen Bereichen führt zu unterschiedlichen Regimen der Populationsausbreitungsgeschwindigkeit als Funktion der Migrationsrate. Wir bestimmen die Region im Parameterraum der Phänotyp Schalt-und Migrationsraten, in der die Bedingungen Persistenz begünstigen. Darüber hinaus präsentieren wir ein erweitertes Modell, das Mutation aus den beiden phänotypischen Zuständen zu einem resistenten Zustand erlaubt. Wir stellen fest, dass die Anwesenheit persistenter Zellen die Wahrscheinlichkeit von resistenten Mutationen in einer Population erhöht. Mit diesem Modell, erklären wir die experimentell beobachtete Entstehung von Antibiotika- Resistenz in einer Staphylococcus aureus Popolation infolge einer Tobramycin Behandlung. Wir finden also verschiedene Funktionen bakterieller Persistenz. Sie unterstützt die räumliche Ausbreitung der Bakterien, die Entwicklung von Toleranz gegenüber mehreren Medikamenten und Entwicklung von Resistenz gegenüber Antibiotika. Unsere Beschreibung liefert eine theoretische Betrachtungsweise der Dynamik bakterieller Persistenz bei verschiedenen Bedingungen. Die Resultate könnten als Grundlage neuer Experimente und der Entwicklung neuer Strategien zur Ausmerzung persistenter Infekte dienen.
KW  - Populationsdynamik
KW  - Antibiotikaresistenz
KW  - Antibiotika-Toleranz
KW  - Phänotypische Heterogenität
KW  - population dynamics
KW  - drug tolerance
KW  - antibiotic resistance
KW  - phenotypic heterogeneity
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69253
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jaiser, Ralf
T1  - Dreidimensionale Diagnostik der großskaligen Zirkulation der Tropo- und Stratosphäre
T1  - Three-dimensional diagnostics of the large-scale circulation in the troposphere and stratosphere
N2  - In dieser Arbeit werden Konzepte für die Diagnostik der großskaligen Zirkulation in der Troposphäre und Stratosphäre entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf dem Energiehaushalt, auf der Wellenausbreitung und auf der Interaktion der atmosphärischen Wellen mit dem Grundstrom. Die Konzepte werden hergeleitet, wobei eine neue Form des lokalen Eliassen-Palm-Flusses unter Einbeziehung der Feuchte eingeführt wird. Angewendet wird die Diagnostik dann auf den Reanalysedatensatz ERA-Interim und einen durch beobachtete Meerestemperatur- und Eisdaten angetriebenen Lauf des ECHAM6 Atmosphärenmodells. Die diagnostischen Werkzeuge zur Analyse der großskaligen Zirkulation sind einerseits nützlich, um das Verständnis der Dynamik des Klimasystems weiter zu fördern. Andererseits kann das gewonnene Verständnis des Zusammenhangs von Energiequellen und -senken sowie deren Verknüpfung mit synoptischen und planetaren Wellensystemen und dem resultierenden Antrieb des Grundstroms auch verwendet werden, um Klimamodelle auf die korrekte Wiedergabe dieser Beobachtungen zu prüfen. Hier zeigt sich, dass die Abweichungen im untersuchten ECHAM6-Modelllauf bezüglich des Energiehaushalts klein sind, jedoch teils starke Abweichungen bezüglich der Ausbreitung von atmosphärischen Wellen existieren. Planetare Wellen zeigen allgemein zu große Intensitäten in den Eliassen-Palm-Flüssen, während innerhalb der Strahlströme der oberen Troposphäre der Antrieb des Grundstroms durch synoptische Wellen verfälscht ist, da deren vertikale Ausbreitung gegenüber den Beobachtungen verschoben ist. Untersucht wird auch der Einfluss von arktischen Meereisänderungen ausgehend vom Bedeckungsminimum im August/September bis in den Winter. Es werden starke positive Temperaturanomalien festgestellt, welche an der Oberfläche am größten sind. Diese führen vor allem im Herbst zur Intensivierung von synoptischen Systemen in den arktischen Breiten, da die Stabilität der troposphärischen Schichtung verringert ist. Im darauffolgenden Winter stellen sich barotrope bis in die Stratosphäre reichende Änderungen der großskaligen Zirkulation ein, welche auf Meereisänderungen zurückzuführen sind. Der meridionale Druckgradient sinkt und führt so zu einem Muster ähnlich einer negativen Phase der arktischen Oszillation in der Troposphäre und einem geschwächten Polarwirbel in der Stratosphäre. Diese Zusammenhänge werden ebenfalls in einem ECHAM6-Modelllauf untersucht, wobei vor allem der Erwärmungstrend in der Arktis zu gering ist. Die großskaligen Veränderungen im Winter können zum Teil auch im Modelllauf festgestellt werden, jedoch zeigen sich insbesondere in der Stratosphäre Abweichungen für die Periode mit der geringsten Eisausdehnung. Die vertikale Ausbreitung planetarer Wellen von der Troposphäre in die Stratosphäre ist in ECHAM6 mit sehr großen Abweichungen wiedergegeben. Somit stellt die Wellenausbreitung insgesamt den größten in dieser Arbeit festgestellten Mangel in ECHAM6 dar.
N2  - In this study concepts for the diagnostics of the large-scale circulation in the troposphere and the stratosphere are developed. Therefore the energy budget, wave propagation and the interaction between waves and the mean flow are analyzed. A corresponding set of diagnostic methods is derived. Furthermore a new type of localized Eliassen Palm Fluxes including moisture fluxes is introduced. These diagnostic methods are then applied to the ERA-Interim reanalysis and to a run of the ECHAM6 atmospheric model forced with observed sea surface temperatures and sea ice data. The diagnostics of the large scale circulation are useful to enhance the understanding of the climate system dynamics. Furthermore the knowledge of the relation between energy sources and sinks, atmospheric waves on planetary and synoptic scales and their forcing of the mean flow is applicable to validate global climate models. The results presented here show small deviations in terms of the energy balance in ECHAM6 but large discrepancies in terms of wave propagation. On the one hand Eliassen Palm fluxes connected to planetary waves are generally too strong. On the other hand the mean flow forcing within upper tropospheric jet streams by synoptic scale waves does not agree with observations, since the vertical propagation is shifted. A second part of this study analyses the influence of Arctic sea ice anomalies at the sea ice minimum in August/September on atmospheric conditions. Strong positive temperature anomalies with their maximum at the surface are observed. In autumn they lead to intensified synoptic scale systems, because of a reduced atmospheric vertical stability. A large-scale barotropic circulation pattern up to the stratosphere appears in winter related to previous late summer sea ice changes. A reduced meridional pressure gradient leads to a pattern related to a negative phase of the Arctic Oscillation in the troposp here as well as related to a weaker stratospheric polar vortex. The same analysis performed with an ECHAM6 model run shows a too small warming of Arctic latitudes. While tropospheric changes in the Arctic are covered by the model to some degree, the stratosphere shows large discrepancies in reproducing the observed changes in the low ice period. The vertical propagation of planetary waves from the troposphere into the stratosphere is reproduced with large differences. Accordingly this study shows the largest errors in ECHAM6 related to atmospheric wave propagation.
KW  - Energiehaushalt
KW  - Wellenausbreitung
KW  - Meereis
KW  - Eliassen-Palm-Fluss
KW  - Klimawandel
KW  - energy budget
KW  - wave propagation
KW  - sea ice
KW  - Eliassen Palm Flux
KW  - climate change
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69064
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TY  - THES
A1  - Schick, Daniel
T1  - Ultrafast lattice dynamics in photoexcited nanostructures : femtosecond X-ray diffraction with optimized evaluation schemes
T1  - Ultraschnelle Gitterdynamik in optisch angeregten Nanostrukturen : Femtosekunden-Röntgendiffraktion mit optimierten Auswerteroutinen
N2  - Within the course of this thesis, I have investigated the complex interplay between electron and lattice dynamics in nanostructures of perovskite oxides. Femtosecond hard X-ray pulses were utilized to probe the evolution of atomic rearrangement directly, which is driven by ultrafast optical excitation of electrons. The physics of complex materials with a large number of degrees of freedom can be interpreted once the exact fingerprint of ultrafast lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction experiments for a simple model system is well known. The motion of atoms in a crystal can be probed directly and in real-time by femtosecond pulses of hard X-ray radiation in a pump-probe scheme. In order to provide such ultrashort X-ray pulses, I have built up a laser-driven plasma X-ray source. The setup was extended by a stable goniometer, a two-dimensional X-ray detector and a cryogen-free cryostat. The data acquisition routines of the diffractometer for these ultrafast X-ray diffraction experiments were further improved in terms of signal-to-noise ratio and angular resolution. The implementation of a high-speed reciprocal-space mapping technique allowed for a two-dimensional structural analysis with femtosecond temporal resolution. I have studied the ultrafast lattice dynamics, namely the excitation and propagation of coherent phonons, in photoexcited thin films and superlattice structures of the metallic perovskite SrRuO3. Due to the quasi-instantaneous coupling of the lattice to the optically excited electrons in this material a spatially and temporally well-defined thermal stress profile is generated in SrRuO3. This enables understanding the effect of the resulting coherent lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction data in great detail, e.g. the appearance of a transient Bragg peak splitting in both thin films and superlattice structures of SrRuO3. In addition, a comprehensive simulation toolbox to calculate the ultrafast lattice dynamics and the resulting X-ray diffraction response in photoexcited one-dimensional crystalline structures was developed in this thesis work. With the powerful experimental and theoretical framework at hand, I have studied the excitation and propagation of coherent phonons in more complex material systems. In particular, I have revealed strongly localized charge carriers after above-bandgap femtosecond photoexcitation of the prototypical multiferroic BiFeO3, which are the origin of a quasi-instantaneous and spatially inhomogeneous stress that drives coherent phonons in a thin film of the multiferroic. In a structurally imperfect thin film of the ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3, the ultrafast reciprocal-space mapping technique was applied to follow a purely strain-induced change of mosaicity on a picosecond time scale. These results point to a strong coupling of in- and out-of-plane atomic motion exclusively mediated by structural defects.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit habe ich mich mit den komplexen Wechselwirkungen zwischen Elektronen- und Gitterdynamik in oxidischen Perowskit-Nanostrukturen beschäftigt. Dazu wurden verschiedene Proben mit intensiven, ultrakurzen Laserpulsen angeregt. Um die zeitliche Entwicklung der induzierten atomaren Umordnung zu untersuchen, wurden Femtosekunden-Pulse harter Röntgenstrahlung genutzt. Zunächst wurde die ultraschnelle Gitterdynamik in einfachen Modellsystemen mit zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsexperimenten untersucht, um im Anschluss ähnliche Experimente an komplexeren Materialien mit mehreren Freiheitsgraden interpretieren zu können. Die Bewegung der Atome in einem Kristall kann über Anrege-Abtast-Verfahren direkt mit gepulster, harter Röntgenstrahlung gemessen werden. Die Dauer der Röntgenpulse muss dafür einige hundert Femtosekunden kurz sein. Um diese ultrakurzen Röntgenpulse zu erzeugen, habe ich eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle aufgebaut. Der Aufbau wurde um ein stabiles Goniometer, einen zweidimensionalen Röntgendetektor und einen kryogenfreien Kryostat erweitert und in Bezug auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die Winkelauflösung optimiert. Durch die Entwicklung einer schnellen Methode zur Vermessung des reziproken Raums konnte erstmals an solch einer Quelle eine zweidimensionale Strukturanalyse mit Femtosekunden-Zeitauflösung realisiert werden. Die Anregung und Ausbreitung von kohärenten Phononen habe ich in optisch angeregten Dünnfilm- und Übergitterstrukturen untersucht. Eine entscheidende Rolle spielen dabei metallische SrRuO3 Schichten. Durch die quasi-instantane Kopplung des Gitters an die optisch angeregten Elektronen in SrRuO3 wird ein räumlich und zeitlich wohldefiniertes Druckprofil erzeugt. Dadurch kann der Einfluss der resultierenden kohärenten Gitterdynamik auf die zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsdaten im Detail verstanden werden. Beobachtet wurde z.B. das Auftreten einer transienten Aufspaltung eines Bragg-Reflexes bei Dünnfilm- und Übergitterstrukturen aus SrRuO3. Außerdem wurde eine umfangreiche Simulationsumgebung entwickelt, mit deren Hilfe die ultraschnelle Dynamik und die dazugehörigen Röntgendiffraktionssignale in optisch angeregten eindimensionalen Kristallstrukturen berechnet werden können. Der von mir entwickelte experimentelle Aufbau sowie das Simulationspaket zur Datenanalyse und -interpretation wurden anschließend für die Untersuchung kohärenter Phononen in komplexeren Materialsystemen eingesetzt. Im Speziellen konnte ich in multiferroischem BiFeO3 eine stark lokalisierte Ladungsträgerverteilung nach einer optischen Femtosekunden-Anregung nachweisen. Sie ist die Ursache für einen quasi-instantanen und räumlich inhomogenen Druck, der die kohärenten Phononen in einem dünnen Film dieses Multiferroikums erzeugt. Außerdem habe ich die ultraschnelle Vermessung des reziproken Raums angewendet, um eine verzerrungsinduzierte Veränderung der Mosaizität in einem strukturell unvollkommenen Film aus ferroelektrischem Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 zu verfolgen. Die Ergebnisse deuten auf eine ausschließlich durch strukturelle Defekte vermittelte Kopplung der atomaren Bewegungen parallel und senkrecht zur Flächennormalen des Filmes hin.
KW  - ultraschnelle Röntgendiffraktion
KW  - Gitterdynamik
KW  - Nanostruktur
KW  - optische Anregung
KW  - Perowskit
KW  - ultrafast X-ray diffraction
KW  - lattice dynamics
KW  - nanostructure
KW  - photoexcitation
KW  - perovskite
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68827
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dannehl, Claudia
T1  - Fragments of the human antimicrobial LL-37 and their interaction with model membranes
T1  - Fragmente des humanen antimicrobiellen LL-37 und ihre Wechselwirkung mit Modellmembranen
N2  - A detailed description of the characteristics of antimicrobial peptides (AMPs) is highly demanded, since the resistance against traditional antibiotics is an emerging problem in medicine. They are part of the innate immune system in every organism, and they are very efficient in the protection against bacteria, viruses, fungi and even cancer cells. Their advantage is that their target is the cell membrane, in contrast to antibiotics which disturb the metabolism of the respective cell type. This allows AMPs to be more active and faster. The lack of an efficient therapy for some cancer types and the evolvement of resistance against existing antitumor agents make AMPs promising in cancer therapy besides being an alternative to traditional antibiotics. The aim of this work was the physical-chemical characterization of two fragments of LL-37, a human antimicrobial peptide from the cathelicidin family. The fragments LL-32 and LL-20 exhibited contrary behavior in biological experiments concerning their activity against bacterial cells, human cells and human cancer cells. LL-32 had even a higher activity than LL-37, while LL-20 had almost no effect. The interaction of the two fragments with model membranes was systematically studied in this work to understand their mode of action. Planar lipid films were mainly applied as model systems in combination with IR-spectroscopy and X-ray scattering methods. Circular Dichroism spectroscopy in bulk systems completed the results. In the first approach, the structure of the peptides was determined in aqueous solution and compared to the structure of the peptides at the air/water interface. In bulk, both peptides are in an unstructured conformation. Adsorbed and confined to at the air-water interface, the peptides differ drastically in their surface activity as well as in the secondary structure. While LL-32 transforms into an α-helix lying flat at the water surface, LL-20 stays partly unstructured. This is in good agreement with the high antimicrobial activity of LL-32. In the second approach, experiments with lipid monolayers as biomimetic models for the cell membrane were performed. It could be shown that the peptides fluidize condensed monolayers of negatively charged DPPG which can be related to the thinning of a bacterial cell membrane. An interaction of the peptides with zwitterionic PCs, as models for mammalian cells, was not clearly observed, even though LL-32 is haemolytic. In the third approach, the lipid monolayers were more adapted to the composition of human erythrocyte membranes by incorporating sphingomyelin (SM) into the PC monolayers. Physical-chemical properties of the lipid films were determined and the influence of the peptides on them was studied. It could be shown that the interaction of the more active LL-32 is strongly increased for heterogeneous lipid films containing both gel and fluid phases, while the interaction of LL-20 with the monolayers was unaffected. The results indicate an interaction of LL-32 with the membrane in a detergent-like way. Additionally, the modelling of the peptide interaction with cancer cells was performed by incorporating some negatively charged lipids into the PC/SM monolayers, but the increased charge had no effect on the interaction of LL-32. It was concluded, that the high anti-cancer activity of the peptide originates from the changed fluidity of cell membrane rather than from the increased surface charge. Furthermore, similarities to the physical-chemical properties of melittin, an AMP from the bee venom, were demonstrated.  
N2  - Aufgrund der steigenden Resistenzen von Zellstämmen gegen traditionelle Therapeutika sind alternative medizinische Behandlungsmöglichkeiten für bakterielle Infektionen und Krebs stark gefragt. Antimikrobielle Peptide (AMPs) sind Bestandteil der unspezifischen Immunabwehr und kommen in jedem Organismus vor. AMPs lagern sich von außen an die Zellmembran an und zerstören ihre Integrität. Das macht sie effizient und vor allem schnell in der Wirkung gegen Bakterien, Viren, Pilzen und sogar Krebszellen. Das Ziel dieser Arbeit lag in der physikalisch-chemischen Charakterisierung zweier Peptidfragmente die unterschiedliche biologische Aktivität aufweisen. Die Peptide LL-32 und LL-20 waren Teile des humanen LL-37 aus der Kathelizidin-Familie. LL-32 wies eine stärke Aktivität als das Mutterpeptid auf, während LL-20 kaum aktiv gegen die verschiedenen Zelltypen war. In dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung der Peptide mit Zellmembranen systematisch anhand von zweidimensionalen Modellmembranen in dieser Arbeit untersucht. Dafür wurden Filmwaagenmessungen mit IR-spektroskopischen und Röntgenstreumethoden gekoppelt. Circulardichroismus-Spektroskopie im Volumen komplementierte die Ergebnisse. In der ersten Näherung wurde die Struktur der Peptide in Lösung mit der Struktur an der Wasser/Luft-Grenzfläche verglichen. In wässriger Lösung sind beide Peptidfragmente unstrukturiert, nehmen jedoch eine α-helikale Sekundärstruktur an, wenn sie an die Wasser/Luft-Grenzfläche adsorbiert sind. Das biologisch unwirksamere LL-20 bleibt dabei teilweise ungeordnet. Das steht im Zusammenhang mit einer geringeren Grenzflächenaktivität des Peptids. In der Zweiten Näherung wurden Versuche mit Lipidmonoschichten als biomimetisches Modell für die Wechselwirkung mit der Zellmembran durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Peptide fluidisierend auf negativ geladene Dipalmitylphosphatidylglycerol (DPPG) Monoschichten auswirken, was einer Membranverdünnung an Bakterienzellen entspricht. Eine Interaktion der Peptide mit zwitterionischem Phosphatidylcholin (PC), das als Modell für Säugetierzellen verwendet wurde, konnte nicht klar beobachtet werden, obwohl biologische Experimente das hämolytische Verhalten zumindest von LL-32 zeigten. In der dritten Näherung wurde das Membranmodell näher an die Membran von humanen Erythrozyten angepasst, indem gemischte Monoschichten aus Sphingomyelin (SM) und PC hergestellt wurden. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Lipidfilme wurden zunächst ausgearbeitet und anschließend der Einfluss der Peptide untersucht. Es konnte anhand verschiedener Versuche gezeigt werden, dass die Wechselwirkung von LL-32 mit der Modellmembran verstärkt ist, wenn eine Koexistenz von fluiden und Gelphasen auftritt. Zusätzlich wurde die Wechselwirkung der Peptide mit der Membran von Krebszellen imitiert, indem ein geringer Anteil negativ geladener Lipide in die Monoschicht eingebaut wurde. Das hatte allerdings keinen nachweislichen Effekt, so dass geschlussfolgert werden konnte, dass die hohe Aktivität von LL-32 gegen Krebszellen ihren Grund in der veränderten Fluidität der Membran hat und nicht in der veränderten Oberflächenladung. Darüber hinaus wurden Ähnlichkeiten zu Melittin, einem AMP aus dem Bienengift, dargelegt. Die Ergebnisse dieser Arbeit sprechen für einen Detergenzien-artigen Wirkmechanismus des Peptids LL-32 an der Zellmembran.
KW  - Antimikrobielle Peptide
KW  - Zellmembranen
KW  - Lipide
KW  - Peptid-Membran-Wechselwirkung
KW  - Monoschichten
KW  - antimicrobial peptides
KW  - membranes
KW  - lipids
KW  - peptide-membrane-interaction
KW  - monolayer
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68144
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kamann, Sebastian
T1  - Crowded field spectroscopy and the search for intermediate-mass black holes in globular clusters
T1  - Spektroskopie dichter Sternfelder und die Suche nach mittelschweren schwarzen Löchern in Kugelsternhaufen
N2  - Globular clusters are dense and massive star clusters that are an integral part of any major galaxy. Careful studies of their stars, a single cluster may contain several millions of them, have revealed that the ages of many globular clusters are comparable to the age of the Universe. These remarkable ages make them valuable probes for the exploration of structure formation in the early universe or the assembly of our own galaxy, the Milky Way. A topic of current research relates to the question whether globular clusters harbour massive black holes in their centres. These black holes would bridge the gap from stellar mass black holes, that represent the final stage in the evolution of massive stars, to supermassive ones that reside in the centres of galaxies. For this reason, they are referred to as intermediate-mass black holes. The most reliable method to detect and to weigh a black hole is to study the motion of stars inside its sphere of influence. The measurement of Doppler shifts via spectroscopy allows one to carry out such dynamical studies. However, spectroscopic observations in dense stellar fields such as Galactic globular clusters are challenging. As a consequence of diffraction processes in the atmosphere and the finite resolution of a telescope, observed stars have a finite width characterized by the point spread function (PSF), hence they appear blended in crowded stellar fields. Classical spectroscopy does not preserve any spatial information, therefore it is impossible to separate the spectra of blended stars and to measure their velocities. Yet methods have been developed to perform imaging spectroscopy. One of those methods is integral field spectroscopy. In the course of this work, the first systematic study on the potential of integral field spectroscopy in the analysis of dense stellar fields is carried out. To this aim, a method is developed to reconstruct the PSF from the observed data and to use this information to extract the stellar spectra. Based on dedicated simulations, predictions are made on the number of stellar spectra that can be extracted from a given data set and the quality of those spectra. Furthermore, the influence of uncertainties in the recovered PSF on the extracted spectra are quantified. The results clearly show that compared to traditional approaches, this method makes a significantly larger number of stars accessible to a spectroscopic analysis. This systematic study goes hand in hand with the development of a software package to automatize the individual steps of the data analysis. It is applied to data of three Galactic globular clusters, M3, M13, and M92. The data have been observed with the PMAS integral field spectrograph at the Calar Alto observatory with the aim to constrain the presence of intermediate-mass black holes in the centres of the clusters. The application of the new analysis method yields samples of about 80 stars per cluster. These are by far the largest spectroscopic samples that have so far been obtained in the centre of any of the three clusters. In the course of the further analysis, Jeans models are calculated for each cluster that predict the velocity dispersion based on an assumed mass distribution inside the cluster. The comparison to the observed velocities of the stars shows that in none of the three clusters, a massive black hole is required to explain the observed kinematics. Instead, the observations rule out any black hole in M13 with a mass higher than 13000 solar masses at the 99.7% level. For the other two clusters, this limit is at significantly lower masses, namely 2500 solar masses in M3 and 2000 solar masses in M92. In M92, it is possible to lower this limit even further by a combined analysis of the extracted stars and the unresolved stellar component. This component consists of the numerous stars in the cluster that appear unresolved in the integral field data. The final limit of 1300 solar masses is the lowest limit obtained so far for a massive globular cluster.
N2  - Kugelsternhaufen sind dichte, gravitativ gebundene Ansammlungen von teilweise mehreren Millionen Sternen, die ein fester Bestandteil jeder massiven Galaxie sind. Aus der Untersuchung der Kugelsternhaufen in der Milchstraße weiß man, dass das Alter von vielen dieser Objekte vergleichbar ist mit jenem des Universums. Dies macht sie zu wertvollen Forschungsobjekten, beispielsweise um die Entstehung der Milchstraße und die Strukturbildung im frühen Universum zu verstehen. Eine aktuelle wissenschaftliche Fragestellung befasst sich damit, ob Kugelsternhaufen massive schwarze Löcher beherbergen. Diese würden eine Brücke schlagen von den stellaren schwarzen Löchern, die durch den Kollaps massereicher Sterne entstehen, zu den supermassiven schwarzen Löchern, welche man in den Zentren massiver Galaxien beobachtet. Man bezeichnet sie daher auch als mittelschwere schwarze Löcher. Die sicherste Diagnostik, um schwarze Löcher zu detektieren und ihre Masse zu bestimmen ist, die Bewegung der Sterne innerhalb ihrer gravitativen Einflusssphäre zu vermessen. Spektroskopische Untersuchungen vermögen dies über die Dopplerverschiebung von Spektrallinien, sind jedoch in dichten stellaren Feldern wie Kugelsternhaufen schwierig. Aufgrund der Turbulenz in der Atmosphäre und dem endlichen Auflösungsvermögen des Teleskops erscheinen die Sterne in den Beobachtungen nicht punktförmig, sondern mit einer durch die Punktspreizfunktion (PSF) gegebenen Breite. In dichten stellaren Feldern führt dies dazu, dass die Sterne überlappen. Da klassische spektroskopische Verfahren nicht bildgebend sind, lassen sich die Beiträge der Einzelsterne zu einem beobachteten Spektrum nicht trennen und die Geschwindigkeiten der Sterne können nicht vermessen werden. Bildgebende spektroskopische Verfahren, wie etwa die Integralfeld-Spektroskopie, bieten jedoch die Möglichkeit, die PSF zu rekonstruieren und basierend darauf die Spektren überlappender Sterne zu trennen. Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wird das Potential der Integralfeld-Spektroskopie in der Beobachtung dichter stellarer Felder zum ersten Mal systematisch analysiert. Hierzu wird eine Methodik entwickelt, die das Extrahieren von Einzelsternspektren über eine Rekonstruktion der PSF aus den vorhandenen Daten erlaubt. Anhand von Simulationen werden Voraussagen darüber gemacht, wie viele Sternspektren aus einem gegebenen Datensatz extrahiert werden können, welche Qualität diese Spektren haben und wie sich Ungenauigkeiten in der rekonstruierten PSF auf die Analyse auswirken. Es zeigt sich hierbei, dass die entwickelte Methodik die spektroskopische Analyse von deutlich mehr Sternen erlaubt als klassische Verfahren. Parallel zu dieser systematischen Studie erfolgt die Entwicklung einer dezidierten Analysesoftware, welche im zweiten Teil der Arbeit auf Daten von drei Kugelsternhaufen angewendet wird, die mit dem PMAS Integralfeld-Spektrographen am Calar Alto Observatorium aufgenommen wurden: M3, M13 und M92. Die Auswertung dieser Daten liefert Spektren für eine Stichprobe von ungefähr 80 Sternen pro Kugelsternhaufen, weit mehr als bisher im Zentrum eines der drei Haufen verfügbar waren. In der weiteren Analyse werden Jeans Modelle für jedes der drei Objekte gerechnet. Diese erlauben basierend auf einer angenommenen Massenverteilung innerhalb des Kugelsternhaufens eine Vorhersage der Geschwindigkeitsdispersion der Sterne. Der Vergleich mit den gemessenen Geschwindigkeiten zeigt, dass in keinem der drei Haufen ein schwarzes Loch benötigt wird, um die Dynamik der zentrumsnahen Sterne zu erklären. Im Gegenteil, die Beobachtungen können zu 99,7-prozentiger Sicherheit ausschließen, dass sich in M13 ein schwarzes Loch mit einer Masse größer 13000 Sonnenmassen befindet. In den anderen beiden Haufen liegt diese Grenze noch bei deutlich geringeren Massen, nämlich bei 2500 Sonnenmassen in M3 und 2000 Sonnenmassen in M92. In M92 ist es außerdem möglich, das Limit noch weiter herabzusetzen durch eine zusätzliche Analyse der unaufgelösten stellaren Komponente. Diese Komponente besteht aus dem integrierten Licht all jener Sterne, die zu schwach und zahlreich sind als dass sie aus den verfügbaren Daten einzeln extrahiert werden könnten. Das endgültige Limit von 1300 Sonnenmassen ist das geringste, welches bisher in einem massiven Kugelsternhaufen gemessen wurde.
KW  - Kugelsternhaufen
KW  - Sterndynamik
KW  - Physik schwarzer Löcher
KW  - Integralfeld-Spektroskopie
KW  - PSF Analyse
KW  - globular clusters
KW  - stellar dynamics
KW  - black hole physics
KW  - integral field spectroscopy
KW  - PSF fitting
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67763
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TY  - THES
A1  - Wechakama, Maneenate
T1  - Multi-messenger constraints and pressure from dark matter annihilation into electron-positron pairs
T1  - Multi-Messenger-Grenzen und Druck von Dunkler Materie-Annihilation in Elektron-Positron-Paaren
N2  - Despite striking evidence for the existence of dark matter from astrophysical observations, dark matter has still escaped any direct or indirect detection until today. Therefore a proof for its existence and the revelation of its nature belongs to one of the most intriguing challenges of nowadays cosmology and particle physics. The present work tries to investigate the nature of dark matter through indirect signatures from dark matter annihilation into electron-positron pairs in two different ways, pressure from dark matter annihilation and multi-messenger constraints on the dark matter annihilation cross-section. We focus on dark matter annihilation into electron-positron pairs and adopt a model-independent approach, where all the electrons and positrons are injected with the same initial energy E_0 ~ m_dm*c^2. The propagation of these particles is determined by solving the diffusion-loss equation, considering inverse Compton scattering, synchrotron radiation, Coulomb collisions, bremsstrahlung, and ionization. The first part of this work, focusing on pressure from dark matter annihilation, demonstrates that dark matter annihilation into electron-positron pairs may affect the observed rotation curve by a significant amount. The injection rate of this calculation is constrained by INTEGRAL, Fermi, and H.E.S.S. data. The pressure of the relativistic electron-positron gas is computed from the energy spectrum predicted by the diffusion-loss equation. For values of the gas density and magnetic field that are representative of the Milky Way, it is estimated that the pressure gradients are strong enough to balance gravity in the central parts if E_0 < 1 GeV. The exact value depends somewhat on the astrophysical parameters, and it changes dramatically with the slope of the dark matter density profile. For very steep slopes, as those expected from adiabatic contraction, the rotation curves of spiral galaxies would be affected on kiloparsec scales for most values of E_0. By comparing the predicted rotation curves with observations of dwarf and low surface brightness galaxies, we show that the pressure from dark matter annihilation may improve the agreement between theory and observations in some cases, but it also imposes severe constraints on the model parameters (most notably, the inner slope of the halo density profile, as well as the mass and the annihilation cross-section of dark matter particles into electron-positron pairs). In the second part, upper limits on the dark matter annihilation cross-section into electron-positron pairs are obtained by combining observed data at different wavelengths (from Haslam, WMAP, and Fermi all-sky intensity maps) with recent measurements of the electron and positron spectra in the solar neighbourhood by PAMELA, Fermi, and H.E.S.S.. We consider synchrotron emission in the radio and microwave bands, as well as inverse Compton scattering and final-state radiation at gamma-ray energies. For most values of the model parameters, the tightest constraints are imposed by the local positron spectrum and synchrotron emission from the central regions of the Galaxy. According to our results, the annihilation cross-section should not be higher than the canonical value for a thermal relic if the mass of the dark matter candidate is smaller than a few GeV. In addition, we also derive a stringent upper limit on the inner logarithmic slope α of the density profile of the Milky Way dark matter halo (α < 1 if m_dm < 5 GeV, α < 1.3 if m_dm < 100 GeV and α < 1.5 if m_dm < 2 TeV) assuming a dark matter annihilation cross-section into electron-positron pairs (σv) = 3*10^−26 cm^3 s^−1, as predicted for thermal relics from the big bang.
N2  - Trotz vieler Hinweise auf die Existenz von dunkler Materie durch astrophysikalische Beobachtungen hat sich die dunkle Materie bis heute einem direkten oder indirekten Nachweis entzogen. Daher gehrt der Nachweis ihrer Existenz und die Enthüllung ihrer Natur zu einem der faszinierensten Herausforderungen der heutigen Kosmologie und Teilchenphysik. Diese Arbeit versucht die Natur von dunkler Materie durch indirekte Signaturen von der Paarzerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positronpaare auf zwei verschiedene Weisen zu untersuchen, nämlich anhand des Drucks durch die Paarzerstrahlung dunkler Materie und durch Grenzen des Wirkungsquerschnitts für die Paarzerstrahlung dunkler Materie aus verschiedenen Beobachtungsbereichen. Wir konzentrieren uns dabei auf die Zerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare und betrachten einen modellunabhängigen Fall, bei dem alle Elektronen und Positronen mit der gleichen Anfangsenergie E_0 ~ m_dm*c^2 injiziert werden. Die Fortbewegung dieser Teilchen wird dabei bestimmt durch die Lösung der Diffusions-Verlust-Gleichung unter Berücksichtigung von inverser Compton-Streuung, Synchrotronstrahlung, Coulomb-Streuung, Bremsstrahlung und Ionisation. Der erste Teil dieser Arbeit zeigt, dass die Zerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare die gemessene Rotationskurve signifikant beeinflussen kann. Die Produktionsrate ist dabei durch Daten von INTEGRAL, Fermi und H.E.S.S. begrenzt. Der Druck des relativistischen Elektron-Positron Gases wird aus dem Energiespektrum errechnet, welches durch die Diffusions-Verlust-Gleichung bestimmt ist. Für Werte der Gasdichte und des magnetischen Feldes, welche für unsere Galaxie repräsentativ sind, lässt sich abschätzen, dass für E_0 < 1 GeV die Druckgradienten stark genug sind, um Gravitationskräfte auszugleichen. Die genauen Werte hängen von den verwendeten astrophysikalischen Parametern ab, und sie ändern sich stark mit dem Anstieg des dunklen Materie-Profils. Für sehr große Anstiege, wie sie für adiabatische Kontraktion erwartet werden, werden die Rotationskurven von Spiralgalaxien auf Skalen von einegen Kiloparsek für die meisten Werte von E_0 beeinflusst. Durch Vergleich der erwarteten Rotationskurven mit Beobachtungen von Zwerggalaxien und Galaxien geringer Oberflächentemperatur zeigen wir, dass der Druck von Zerstrahlung dunkler Materie die Übereinstimmung von Theorie und Beobachtung in einigen Fällen verbessern kann. Aber daraus resultieren auch starke Grenzen für die Modellparameter - vor allem für den inneren Anstieg des Halo-Dichteprofils, sowie die Masse und den Wirkungsquerschnitt der dunklen Materie-Teilchen. Im zweiten Teil werden obere Grenzen für die Wirkungsquerschnitte der Zerstrahlung der dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare erhalten, indem die beobachteten Daten bei unterschiedlichen Wellenlängen (von Haslam, WMAP und Fermi) mit aktuellen Messungen von Elektron-Positron Spektren in der solaren Nachbarschaft durch PAMELA, Fermi und H.E.S.S. kombiniert werden. Wir betrachten Synchrotronemission bei Radiound Mikrowellenfrequenzen, sowie inverse Compton-Streuung und Final-State-Strahlung bei Energien im Bereich der Gamma-Strahlung. Für die meisten Werte der Modellparameter werden die stärksten Schranken durch das lokale Positron-Spektrum und die Synchrotronemission im Zentrum unser Galaxie bestimmt. Nach diesen Ergebnissen sollte der Wirkungsquerschnitt für die Paarzerstrahlung nicht größer als der kanonische Wert für thermische Relikte sein, wenn die Masse der dunklen Materie-Kandidaten kleiner als einige GeV ist. Zusätzlich leiten wir eine obere Grenze für den inneren logarithmische Anstieg α des Dichteprofiles des dunklen Materie Halos unserer Galaxie ab.
KW  - dunkle Materie
KW  - Astroteilchenphysik
KW  - Strahlung Mechanismen
KW  - Galaxy Struktur
KW  - Rotationskurven
KW  - dark matter
KW  - astroparticle physics
KW  - radiation mechanisms
KW  - galaxy structure
KW  - rotation curves
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67401
ER  - 
TY  - THES
A1  - Garz, Andreas
T1  - Nichtlineare Mikroskopie und Bilddatenverarbeitung zur biochemischen Analyse synchronisierter Chlamydomonas-Zellen
T1  - Non-linear microscopy and image data processing for biochemical analysis of synchronized Chlamydomonas cells
N2  - Unter geeigneten Wachstumsbedingungen weisen Algenkulturen oft eine größere Produktivität der Zellen auf, als sie bei höheren Pflanzen zu beobachten ist. Chlamydomonas reinhardtii-Zellen sind vergleichsweise klein. So beträgt das Zellvolumen während des vegetativen Zellzyklus etwa 50–3500 µm³. Im Vergleich zu höheren Pflanzen ist in einer Algensuspension die Konzentration der Biomasse allerdings gering. So enthält beispielsweise 1 ml einer üblichen Konzentration zwischen 10E6 und 10E7 Algenzellen. Quantifizierungen von Metaboliten oder Makromolekülen, die zur Modellierung von zellulären Prozessen genutzt werden, werden meist im Zellensemble vorgenommen. Tatsächlich unterliegt jedoch jede Algenzelle einer individuellen Entwicklung, die die Identifizierung charakteristischer allgemeingültiger Systemparameter erschwert. Ziel dieser Arbeit war es, biochemisch relevante Messgrößen in-vivo und in-vitro mit Hilfe optischer Verfahren zu identifizieren und zu quantifizieren. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Puls-Amplituden-Modulation(PAM)-Fluorimetriemessplatz zur Messung der durch äußere Einflüsse bedingten veränderlichen Chlorophyllfluoreszenz an einzelnen Zellen vorgestellt. Die Verwendung eines kommerziellen Mikroskops, die Implementierung empfindlicher Nachweiselektronik und einer geeignete Immobilisierungsmethode ermöglichten es, ein Signal-zu-Rauschverhältnis zu erreichen, mit dem Fluoreszenzsignale einzelner lebender Chlamydomonas-Zellen gemessen werden konnten. Insbesondere wurden das Zellvolumen und der als Maß für die Effizienz des Photosyntheseapparats bzw. die Zellfitness geltende Chlorophyllfluoreszenzparameter Fv/Fm ermittelt und ein hohes Maß an Heterogenität dieser zellulären Parameter in verschiedenen Entwicklungsstadien der synchronisierten Chlamydomonas-Zellen festgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die bildgebende Laser-Scanning-Mikroskopie und anschließende Bilddatenanalyse zur quantitativen Erfassung der wachstumsabhängigen zellulären Parameter angewandt. Ein kommerzielles konfokales Mikroskop wurde um die Möglichkeit der nichtlinearen Mikroskopie erweitert. Diese hat den Vorteil einer lokalisierten Anregung, damit verbunden einer höheren Ortsauflösung und insgesamt geringeren Probenbelastung. Weiterhin besteht neben der Signalgewinnung durch Fluoreszenzanregung die Möglichkeit der Erzeugung der Zweiten Harmonischen (SHG) an biophotonischen Strukturen, wie der zellulären Stärke. Anhand der Verteilungsfunktionen war es möglich mit Hilfe von modelltheoretischen Ansätzen zelluläre Parameter zu ermitteln, die messtechnisch nicht unmittelbar zugänglich sind. Die morphologischen Informationen der Bilddaten ermöglichten die Bestimmung der Zellvolumina und die Volumina subzellularer Strukturen, wie Nuclei, extranucleäre DNA oder Stärkegranula. Weiterhin konnte die Anzahl subzellulärer Strukturen innerhalb einer Zelle bzw. eines Zellverbunds ermittelt werden. Die Analyse der in den Bilddaten enthaltenen Signalintensitäten war Grundlage einer relativen Konzentrationsbestimmung von zellulären Komponenten, wie DNA bzw. Stärke. Mit dem hier vorgestellten Verfahren der nichtlinearen Mikroskopie und nachfolgender Bilddatenanalyse konnte erstmalig die Verteilung des zellulären Stärkegehalts in einer Chlamydomonas-Population während des Wachstums bzw. nach induziertem Stärkeabbau verfolgt werden. Im weiteren Verlauf wurde diese Methode auch auf Gefrierschnitte höherer Pflanzen, wie Arabidopsis thaliana, angewendet. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass viele zelluläre Parameter, wie das Volumen, der zelluläre DNA- und Stärkegehalt bzw. die Anzahl der Stärkegranula durch eine Lognormalverteilung, mit wachstumsabhängiger Parametrisierung, beschrieben werden. Zelluläre Parameter, wie Stoffkonzentration und zelluläres Volumen, zeigen keine signifikanten Korrelationen zueinander, woraus geschlussfolgert werden muss, dass es ein hohes Maß an Heterogenität der zellulären Parameter innerhalb der synchronisierten Chlamydomonas-Populationen gibt. Diese Aussage gilt sowohl für die als homogenste Form geltenden Synchronkulturen von Chlamydomonas reinhardtii als auch für die gemessenen zellulären Parameter im intakten Zellverbund höherer Pflanzen. Dieses Ergebnis ist insbesondere für modelltheoretische Betrachtungen von Relevanz, die sich auf empirische Daten bzw. zelluläre Parameter stützen welche im Zellensemble gemessen wurden und somit nicht notwendigerweise den zellulären Status einer einzelnen Zelle repräsentieren.
N2  - Under appropriate growth conditions cells of algae cultures often show a greater productivity than it is observed for cells in higher plants. The cells of Chlamydomonas reinhardtii are relatively small. The cell volume during the vegetative cell cycle ranges only between 50-3500 µm³. Compared to higher plants the concentration of biomass in an algal suspension is small. Thus, 1 ml of a suspension with a standard concentration contains between 10E6 and 10E7 algal cells. Quantification of metabolites or macromolecules, which are used for modeling of cellular processes, is usually carried out in the cell ensemble. However, every single algal cell undergoes an individual development, which makes the identification of characteristic universal system parameters far more complicated. The aim of this work was to identify and quantify relevant biochemical parameters, which were measured in vivo and in vitro using optical methods. In the first part, a Pulse Amplitude Modulation (PAM) measuring station was introduced to measure the variable chlorophyll fluorescence of individual cells. A commercial microscope was combined with sensitive detection electronics and the application of suitable immobilization methods. This allowed the achievement of a signal-to-noise ratio which made it possible to measure the fluorescence signals of individual living Chlamydomonas cells. In particular, cell volume and the chlorophyll fluorescence parameter Fv/Fm as a measure of the photosynthetic apparatus efficiency and cell fitness were determined. A high degree of cellular heterogeneity of these parameters in different development stages of synchronized Chlamydomonas cells was determined. In the second part, the imaging laser scanning microscopy and subsequent image analysis for quantitative detection of the growth-dependent cellular parameters were applied. A commercial confocal microscope was extended by the possibility of non-linear microscopy. Hereby, a more localized excitation of the samples was possible. Hence, a higher spatial resolution and lower overall sample stressing were achieved. Besides signal generation through fluorescence excitation, second harmonic generation (SHG) on biophotonic structures, such as cellular starch, was applied. Based on distribution functions cellular parameters were determined by using theoretical model approaches. This allowed the characterization of parameters that were not directly accessible by measurement. The morphological information of the image data enabled the determination of cell volume and volumes of sub-cellular structures such as nuclei, extra-nuclear DNA, and starch granules. Furthermore, the number of sub-cellular structures within a cell or a cell compound was determined. Analysis of signal intensities constituted the basis of relative quantification of cellular components such as DNA and starch. For the first time, the method of non-linear microscopy and subsequent image analysis enabled the characterization of the cellular starch distribution of a Chlamydomonas population during cell growth, and after induced starch degradation, respectively. Subsequently, this method was additionally applied to frozen sections of higher plants like Arabidopsis thaliana. As a result it was shown that many cellular parameters like volume, cellular DNA content, and number of starch granules are described by means of a log-normal distribution with growth-related parameterization. Cellular parameters, such as concentration and cellular volume, showed no significant correlations among each other. Therefore, it was concluded that there is a high degree of cellular parameter heterogeneity within synchronized Chlamydomonas populations. This applies not only to synchronized cultures of Chlamydomonas reinhardtii, which are currently considered as the most homogeneous form, but also to measured cellular parameters of intact cell assemblies in higher plants. The result is especially important for model-theoretic considerations, which are based on empirical data, and cellular parameters obtained from cell ensembles, respectively.
KW  - Nichtlineare Mikroskopie
KW  - Bilddatenanalyse
KW  - Einzelzellanalyse
KW  - Stärkemetabolismus
KW  - Zellimmobilisierung
KW  - non-linear microscopy
KW  - image data analysis
KW  - single cell analysis
KW  - starch metabolism
KW  - cell immobilization
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66904
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rätzel, Dennis
T1  - Tensorial spacetime geometries and background-independent quantum field theory
T1  - Tensorielle Raumzeit-Geometrien und hintergrundunabhängige Quantenfeldtheorie
N2  - Famously, Einstein read off the geometry of spacetime from Maxwell's equations. Today, we take this geometry that serious that our fundamental theory of matter, the standard model of particle physics, is based on it. However, it seems that there is a gap in our understanding if it comes to the physics outside of the solar system. Independent surveys show that we need concepts like dark matter and dark energy to make our models fit with the observations. But these concepts do not fit in the standard model of particle physics. To overcome this problem, at least, we have to be open to matter fields with kinematics and dynamics beyond the standard model. But these matter fields might then very well correspond to different spacetime geometries. This is the basis of this thesis: it studies the underlying spacetime geometries and ventures into the quantization of those matter fields independently of any background geometry. In the first part of this thesis, conditions are identified that a general tensorial geometry must fulfill to serve as a viable spacetime structure. Kinematics of massless and massive point particles on such geometries are introduced and the physical implications are investigated. Additionally, field equations for massive matter fields are constructed like for example a modified Dirac equation. In the second part, a background independent formulation of quantum field theory, the general boundary formulation, is reviewed. The general boundary formulation is then applied to the Unruh effect as a testing ground and first attempts are made to quantize massive matter fields on tensorial spacetimes.
N2  - Bekanntermaßen hat Albert Einstein die Geometrie der Raumzeit an den Maxwell-Gleichungen abgelesen. Heutzutage nehmen wie diese Geometrie so ernst, dass unsere fundamentale Materietheorie, das Standardmodell der Teilchenphysik, darauf beruht. Sobald es jedoch um die Physik außerhalb des Sonnensystems geht, scheinen einige Dinge unverstanden zu sein. Unabhängige Beobachtungsreihen zeigen, dass wir Konzepte wie dunkle Materie und dunkle Energie brauchen um unsere Modelle mit den Beobachtungen in Einklang zu bringen. Diese Konzepte passen aber nicht in das Standardmodell der Teilchenphysik. Um dieses Problem zu überwinden, müssen wir zumindest offen sein für Materiefelder mit Kinematiken und Dynamiken die über das Standardmodell hinaus gehen. Diese Materiefelder könnten dann aber auch durchaus zu anderen Raumzeitgeometrien gehören. Das ist die Grundlage dieser Arbeit: sie untersucht die zugehörigen Raumzeitgeometrien und beschäftigt sich mit der Quantisierung solcher Materiefelder unabhängig von jeder Hintergrundgeometrie. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Bedingungen identifiziert, die eine allgemeine tensorielle Geometrie erfüllen muss um als sinnvolle Raumzeitgeometrie dienen zu können. Die Kinematik masseloser und massiver Punktteilchen auf solchen Raumzeitgeometrien werden eingeführt und die physikalischen Implikationen werden untersucht. Zusätzlich werden Feldgleichungen für massive Materiefelder konstruiert, wie zum Beispiel eine modifizierte Dirac-Gleichung. Im zweiten Teil wird eine hintergrundunabhängige Formulierung der Quantenfeldtheorie, die General Boundary Formulation, betrachtet. Die General Boundary Formulation wird dann auf den Unruh-Effekt angewendet und erste Versuche werden unternommen massive Materiefelder auf tensoriellen Raumzeiten zu quantisieren.
KW  - Quantenfeldtheorie
KW  - Raumzeitgeometrie
KW  - Hochenergiephysik
KW  - Elementarteilchen
KW  - Unruh-Effekt
KW  - quantum field theory
KW  - spacetime geometry
KW  - high energy physics
KW  - elementary particles
KW  - Unruh effect
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65731
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dubinovska, Daria
T1  - Optical surveys of AGN and their host galaxies
T1  - Optische Durchmusterungen von aktiven Galaxienkernen und ihren Muttergalaxien
N2  - This thesis rests on two large Active Galactic Nuclei (AGNs) surveys. The first survey deals with galaxies that host low-level AGNs (LLAGN) and aims at identifying such galaxies by quantifying their variability. While numerous studies have shown that AGNs can be variable at all wavelengths, the nature of the variability is still not well understood. Studying the properties of LLAGNs may help to understand better galaxy evolution, and how AGNs transit between active and inactive states. In this thesis, we develop a method to extract variability properties of AGNs. Using multi-epoch deep photometric observations, we subtract the contribution of the host galaxy at each epoch to extract variability and estimate AGN accretion rates. This pipeline will be a powerful tool in connection with future deep surveys such as PANSTARS. The second study in this thesis describes a survey of X-ray selected AGN hosts at redshifts z>1.5 and compares them to quiescent galaxies. This survey aims at studying environments, sizes and morphologies of star-forming high-redshift AGN hosts in the COSMOS Survey at the epoch of peak AGN activity. Between redshifts 1.5<z<3.8, the COSMOS HST/ACS imaging probes the UV regime, where separating the AGN flux from its host galaxy is very challenging. Nevertheless, we successfully derived the structural properties of 249 AGN hosts using two-dimensional surface-brightness profile fitting with the GALFIT package. This is the largest sample of AGN hosts at redshift z>1.5 to date. We analyzed the evolution of structural parameters of AGN and non-AGN host galaxies with redshift, and compared their disturbance rates to identify the more probable AGN triggering mechanism in the 43.5<log_10 L_X<45 luminosity range. We also conducted mock AGN and quiescent galaxies observations to determine errors and corrections for the derived parameters. We find that the size-absolute magnitude relations of AGN hosts and non-AGN galaxies are very similar, with estimated mean sizes in both samples decreasing by ~50% between redshifts z=1.5 and z=3.5. Morphological classification of both active and quiescent galaxies shows that the majority of the AGN host galaxies are disc-dominated, with disturbance rates that are significantly lower than among the non-AGN galaxies. Such a finding suggests that Major Mergers are probably not responsible for triggering AGN accretion in most of these galaxies. Other secular mechanisms should therefore be responsible.
N2  - Diese Arbeit basiert auf zwei grossen Durchmusterungen aktiver Galaxienkerne (engl., active galactic nuclei, AGN). Die erste Durchmusterungen hat zum Ziel, Muttergalaxien leuchtschwacher AGNs (sog. low-level AGN oder LLAGN) zu identifizieren und die Variabilität der AGN zu quantifizieren. Während zahlreiche Studien gezeigt haben, dass AGN bei allen Wellenlängen variabel sein können, ist die Natur der Varibilität noch immer nicht verstanden. Das Studium der Eigenschaften von LLAGN trägt zum Verständnis bei, wie sich Galaxien entwickeln und wie AGN zwischen aktiven und inaktiven Zuständen wechseln. In dieser Arbeit entwickeln wir eine Methode, um die Eigenschaften der AGN-Variabilität zu messen. Mittels tiefer, photometrischer Beobachtungen zu mehreren Zeitpunkten subtrahieren wir den Beitrag einer Muttergalaxie, um die AGN-Variabilität zu bestimmen und Akkretionsraten des AGN abzuschätzen. Diese Methode wird im Zusammenhang mit zukünftigen, tiefen Durchmusterungen wie z.B. PANSTARRS ein mächtiges Werkzeug darstellen. Die zweite grosse Durchmusterung behandelt nach ihrer Roentgen-Helligkeit ausgewählte AGN-Muttergalaxien mit einer Rotverschiebung von z > 1.5, um sie mit inaktiven Galaxien zu vergleichen. Ziel ist, bei sternbildenden, hochrotverschobenen AGN-Muttergalaxien aus der COSMOS-Durchmusterung die Umgebung, Grösse und Morphologie zum Zeitpunkt der stärksten AGN Aktivität zu studieren. Die COSMOS-HST/ACS-Photometrie untersucht den ultravioletten Spektralbereich von Muttergalaxien bei einer Rotverschiebung von 1.5 < z < 3.8, wo es sehr schwierig ist, den Flussbeitrag des AGN von dem der Muttergalaxie zu trennen. Dennoch gelang es uns, mittels zweidimensionaler Modellierung der Flächenhelligkeitprofile Struktureigenschaften für 249 AGN-Muttergalaxien aus der COSMOS-Durchmusterung abzuleiten. Dies ist für AGN-Muttergalaxien mit einer Rotverschiebung z > 1.5 die bislang grösste Stichprobe. Wir haben die Entwicklung der Strukturparameter mit der Rotverschiebung von AGN-Muttergalaxien und Galaxien ohne aktiven Kern analysiert und die Häufigkeit morphologischer Besonderheiten bei diesen beiden Gruppen miteinander verglichen, um die wahrscheinlichste Ursache für AGN-Aktivität für Galaxien im Roentgen-Leuchtkraft-Bereich von 43.5<log_10 L_X<45 zu bestimmen. Um Fehler und Korrekturfaktoren für die bestimmten Parameter zu erhalten, wurden simulierte AGN-Muttergalaxien und inaktive Galaxien untersucht. Als Ergebnis finden wir, dass AGN-Muttergalaxien und Galaxien ohne aktiven Kern eine sehr ähnliche Relation von Galaxiengrösse zu absoluter Helligkeit aufweisen, wobei die abgeschätzte, mittlere Grösse zwischen Rotverschiebungen von z=1.5 und z=3.5 in beiden untersuchten Gruppen um ~50% abnimmt. Die morphologische Klassifikation sowohl aktiver als auch inaktiver Galaxien zeigt, dass die Mehrheit der AGN-Muttergalaxien scheibendominiert ist und signifikant weniger morphologische Anomalien aufweist als inaktive Galaxien. Dieses Resultat weist darauf hin, dass in den meisten AGN-Muttergalaxien sog., Major Mergers, also die Verschmelzung zweier etwa gleich grosser Galaxien, wahrscheinlich nicht Akkretion auf den AGN auslösen, sondern stattdessen andere, sekuläre Mechanismen dafür verantwortlich sind.
KW  - Aktiven Galaxienkerne
KW  - Muttergalaxien
KW  - Durchmusterung
KW  - AGN
KW  - host galaxies
KW  - survey
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64739
ER  -