TY  - THES
A1  - Schulze, Andreas
T1  - Demographics of supermassive black holes
T1  - Demgraphie supermassereicher Schwarzer Löcher
N2  - Supermassive black holes are a fundamental component of the universe in general and of galaxies in particular. Almost every massive galaxy harbours a supermassive black hole (SMBH) in its center. Furthermore, there is a close connection between the growth of the SMBH and the evolution of its host galaxy, manifested in the relationship between the mass of the black hole and various properties of the galaxy's spheroid component, like its stellar velocity dispersion, luminosity or mass. Understanding this relationship and the growth of SMBHs is essential for our picture of galaxy formation and evolution. In this thesis, I make several contributions to improve our knowledge on the census of SMBHs and on the coevolution of black holes and galaxies. The first route I follow on this road is to obtain a complete census of the black hole population and its properties. Here, I focus particularly on active black holes, observable as Active Galactic Nuclei (AGN) or quasars. These are found in large surveys of the sky. In this thesis, I use one of these surveys, the Hamburg/ESO survey (HES), to study the AGN population in the local volume (z~0). The demographics of AGN are traditionally represented by the AGN luminosity function, the distribution function of AGN at a given luminosity. I determined the local (z<0.3) optical luminosity function of so-called type 1 AGN, based on the broad band B_J magnitudes and AGN broad Halpha emission line luminosities, free of contamination from the host galaxy. I combined this result with fainter data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) and constructed the best current optical AGN luminosity function at z~0. The comparison of the luminosity function with higher redshifts supports the current notion of 'AGN downsizing', i.e. the space density of the most luminous AGN peaks at higher redshifts and the space density of less luminous AGN peaks at lower redshifts. However, the AGN luminosity function does not reveal the full picture of active black hole demographics. This requires knowledge of the physical quantities, foremost the black hole mass and the accretion rate of the black hole, and the respective distribution functions, the active black hole mass function and the Eddington ratio distribution function. I developed a method for an unbiased estimate of these two distribution functions, employing a maximum likelihood technique and fully account for the selection function. I used this method to determine the active black hole mass function and the Eddington ratio distribution function for the local universe from the HES. I found a wide intrinsic distribution of black hole accretion rates and black hole masses. The comparison of the local active black hole mass function with the local total black hole mass function reveals evidence for 'AGN downsizing', in the sense that in the local universe the most massive black holes are in a less active stage then lower mass black holes. The second route I follow is a study of redshift evolution in the black hole-galaxy relations. While theoretical models can in general explain the existence of these relations, their redshift evolution puts strong constraints on these models. Observational studies on the black hole-galaxy relations naturally suffer from selection effects. These can potentially bias the conclusions inferred from the observations, if they are not taken into account. I investigated the issue of selection effects on type 1 AGN samples in detail and discuss various sources of bias, e.g. an AGN luminosity bias, an active fraction bias and an AGN evolution bias. If the selection function of the observational sample and the underlying distribution functions are known, it is possible to correct for this bias. I present a fitting method to obtain an unbiased estimate of the intrinsic black hole-galaxy relations from samples that are affected by selection effects. Third, I try to improve our census of dormant black holes and the determination of their masses. One of the most important techniques to determine the black hole mass in quiescent galaxies is via stellar dynamical modeling. This method employs photometric and kinematic observations of the galaxy and infers the gravitational potential from the stellar orbits. This method can reveal the presence of the black hole and give its mass, if the sphere of the black hole's gravitational influence is spatially resolved. However, usually the presence of a dark matter halo is ignored in the dynamical modeling, potentially causing a bias on the determined black hole mass. I ran dynamical models for a sample of 12 galaxies, including a dark matter halo. For galaxies for which the black hole's sphere of influence is not well resolved, I found that the black hole mass is systematically underestimated when the dark matter halo is ignored, while there is almost no effect for galaxies with well resolved sphere of influence.
N2  - Supermassereiche Schwarze Löcher sind ein fundamentaler Bestandteil unseres Universims im Allgemeinen, und von Galaxien im Besonderen. Fast jede massereiche Galaxie beherbergt ein supermassereiches Schwarzes Loch in seinem Zentrum. Außerdem existiert eine enge Beziehung zwischen dem Wachstum des Schwarzen Loches und der Entwicklung seiner umgebenden Galaxie. Diese zeigt sich besonders in der engen Beziehung zwischen der Masse eines Schwarzen Loches und den Eigenschaften der sphäroidalen Komponente der Galaxie, beispielsweise seiner stellaren Geschwindigkeitsdispersion, seiner Leuchtkraft und seiner Masse. Diese Beziehung erklären zu können, sowie das Wachstum von Schwarzen Löchern zu verstehen, liefert einen wichtigen Beitrag zu unserem Bild der Entstehung und Entwicklung von Galaxien. In dieser Arbeit steuere ich verschiedene Beiträge dazu bei unser Verständnis des Vorkommens Schwarzer Löcher und der Beziehung zu ihren Galaxien zu verbessern. Zunächst versuche ich ein vollständiges Bild der Anzahl und Eigenschaften Schwarzer Löcher zu erhalten. Dazu beschränke ich mich auf aktive Schwarze Löcher, wie man sie im Universum als Aktive Galaxienkerne (AGN) in großen Himmelsdurchmusterungen finden kann. Ich benutze eine solche Durchmusterung, das Hamburg/ESO Survey (HES), um die AGN Population im lokalen Universum zu studieren. Dazu habe ich die optische Leuchtkraftfunktion von AGN bestimmt. Diese habe ich mit anderen Ergebnissen leuchtschwächerer AGN kombiniert um die bisher beste AGN Leuchtkraftfunktion im lokalen Universum zu erhalten. Der Vergleich mit Ergebnissen bei höherer kosmischer Rotverschiebung bestätigt unser Bild des sogenannten "AGN downsizing". Dies sagt aus, dass leuchtkräftige AGN bei hoher Rotverschiebung am häufigsten vorkommen, während leuchtschwache AGN bei niedriger Rotverschiebung am häufigsten sind. Allerdings verrät uns die AGN Leuchtkraftfunktion allein noch nicht das ganze Bild der Demographie Schwarzer Löcher. Vielmehr sind wir an den zugrunde liegenden Eigenschaften, vor allem der Masse und der Akkretionsrate der Schwarzen Löcher, sowie deren statistischen Verteilungsfunktionen, interessiert. Ich habe eine Methode entwickelt um diese beiden Verteilungsfunktionen zu bestimmen, basierend auf der Maximum-Likelihood-Methode. Ich habe diese Methode benutzt um die aktive Massenfunktion Schwarzer Löcher, sowie die Verteilungsfunktion ihrer Akkretionsraten für das lokale Universum aus dem HES zu bestimmen. Sowohl die Akkretionsraten, als auch die Massen der Schwarzen Löcher zeigen intrinsisch eine breite Verteilung, im Gegensatz zur schmaleren beobachtbaren Verteilung. Der Vergleich der aktiven Massenfunktion mit der gesamten Massenfunktion Schwarzer Löcher zeigt ebenfalls Hinweise auf "AGN downsizing". Als nächstes habe ich mich mit Untersuchungen zur zeitlichen Entwicklung in den Beziehungen zwischen Schwarzem Loch und Galaxie beschäftigt. Diese kann helfen unser theoretisches Veständnis der physikalischen Vorgänge zu verbessern. Beobachtungen sind immer auch Auswahleffekten unterworfen. Diese können die Schlussfolgerungen aus den Beobachtungen zur Entwicklung in den Beziehungen beeinflussen, wenn sie nicht entsprechend berücksichtigt werden. Ich habe den Einfluss von Auswahleffekten auf AGN Stichproben im Detail untersucht, und verschiedende möchgliche Einflussquellen identifiziert, die die Beziehung verfälschen können. Wenn die Auswahlkriterien der Stichprobe, sowie die zugrunde liegenden Verteilungen bekannt sind, so ist es möglich für die Auswahleffekte zu korrigieren. Ich habe eine Methode entwickelt, mit der man die intrinsische Beziehung zwischem Schwarzem Loch und Galaxie aus den Beobachtungen rekonstruieren kann. Schließlich habe ich mich auch inaktiven Schwarzen Löchern und der Bestimmung ihrer Massen gewidmet. Eine der wichtigsten Methoden die Masse Schwarzer Löcher in normalen Galaxien zu bestimmen ist stellardynamische Modellierung. Diese Methode benutzt photometrische und kinematische Beobachtungen, und rekonstruiert daraus das Gravitationspotenzial aus der Analyse stellarer Orbits. Bisher wurde in diesen Modellen allerdings der Einfluss des Halos aus Dunkler Materie vernachlässigt. Dieser kann aber die Bestimmung der Masse des Schwarzen Loches beeinflussen. Ich habe 12 Galaxien mit Hilfe stellardynamischer Modellierung untersucht und dabei auch den Einfluss des Halos aus Dunkler Materie berücksichtigt. Für Galaxien bei denen der Einflussbereich des Schwarzen Loches nicht sehr gut räumlich aufgelöst war, wird die Masse des Schwarzen Loches systematisch unterschätzt, wenn der Dunkle Materie Halo nicht berücksichtigt wird. Auf der anderen Seite ist der Einfluss gering, wenn die Beobachtungen diesen Einflussbereich gut auflösen können.
KW  - Astrophysik
KW  - Quasare
KW  - Schwarze Löcher
KW  - AGN
KW  - Statistik
KW  - astrophysics
KW  - quasars
KW  - black holes
KW  - AGN
KW  - statistics
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-54464
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herenz, Edmund Christian
T1  - Detecting and understanding extragalactic Lyman α emission using 3D spectroscopy
T1  - Detektion und Interpretation extragalaktischer Lyman Alpha Emission mittels 3D Spektroskopie
N2  - In this thesis we use integral-field spectroscopy to detect and understand of Lyman α (Lyα) emission from high-redshift galaxies.

Intrinsically the Lyα emission at λ = 1216 Å is the strongest recombination line from galaxies.  It arises from the 2p → 1s transition in hydrogen.  In star-forming galaxies the line is powered by ionisation of the interstellar gas by hot O- and B- stars.  Galaxies with star-formation rates of 1 - 10 Msol/year are expected to have Lyα luminosities of 42 dex - 43 dex (erg/s), corresponding to fluxes ~ -17 dex - -18 dex (erg/s/cm²) at redshifts z~3, where Lyα is easily accessible with ground-based telescopes.  However, star-forming galaxies do not show these expected Lyα fluxes.  Primarily this is a consequence of the high-absorption cross-section of neutral hydrogen for Lyα photons σ ~ -14 dex (cm²).  Therefore, in typical interstellar environments Lyα photons have to undergo a complex radiative transfer.  The exact conditions under which Lyα photons can escape a galaxy are poorly understood.

Here we present results from three observational projects.  In Chapter 2, we show integral field spectroscopic observations of 14 nearby star-forming galaxies in Balmer α radiation (Hα, λ = 6562.8 Å).  These observations were obtained with the Potsdam Multi Aperture Spectrophotometer at the Calar-Alto 3.5m Telescope}.  Hα directly traces the intrinsic Lyα radiation field.  We present Hα velocity fields and velocity dispersion maps spatially registered onto Hubble Space Telescope Lyα and Hα images.  From our observations, we conjecture a causal connection between spatially resolved Hα kinematics and Lyα photometry for individual galaxies.  Statistically, we find that dispersion-dominated galaxies are more likely to emit Lyα photons than galaxies where ordered gas-motions dominate.  This result indicates that turbulence in actively star-forming systems favours an escape of Lyα radiation.

Not only massive stars can power Lyα radiation, but also non-thermal emission from an accreting super-massive black hole in the galaxy centre.  If a galaxy harbours such an active galactic nucleus, the rate of hydrogen-ionising photons can be more than 1000 times higher than that of a typical star-forming galaxy.  This radiation can potentially ionise large regions well outside the main stellar body of galaxies.  Therefore, it is expected that the neutral hydrogen from these circum-galactic regions shines fluorescently in Lyα.  Circum-galactic gas plays a crucial role in galaxy formation.  It may act as a reservoir for fuelling star formation, and it is also subject to feedback processes that expel galactic material.  If Lyα emission from this circum-galactic medium (CGM) was detected, these important processes could be studied in-situ around high-z galaxies.  In Chapter 3, we show observations of five radio-quiet quasars with PMAS to search for possible extended CGM emission in the Lyα line.  However, in four of the five objects, we find no significant traces of this emission.  In the fifth object, there is evidence for a weak and spatially quite compact Lyα excess at several kpc outside the nucleus.  The faintness of these structures is consistent with the idea that radio-quiet quasars typically reside in dark matter haloes of modest masses.  While we were not able to detect Lyα CGM emission, our upper limits provide constraints for the new generation of IFS instruments at 8--10m class telescopes.

The Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at ESOs Very Large Telescopeis such an unique instrument.  One of the main motivating drivers in its construction was the use as a survey instrument for Lyα emitting galaxies at high-z.  Currently, we are conducting such a survey that will cover a total area of ~100 square arcminutes with 1 hour exposures for each 1 square arcminute MUSE pointing.  As a first result from this survey we present in Chapter 5 a catalogue of 831 emission-line selected galaxies from a 22.2 square arcminute region in the Chandra Deep Field South.  In order to construct the catalogue, we developed and implemented a novel source detection algorithm -- LSDCat -- based on matched filtering for line emission in 3D spectroscopic datasets (Chapter 4).  Our catalogue contains 237 Lyα emitting galaxies in the redshift range 3 ≲ z ≲ 6.  Only four of those previously had spectroscopic redshifts in the literature.  We conclude this thesis with an outlook on the construction of a Lyα luminosity function based on this unique sample (Chapter 6).
N2  - In der vorliegenden Doktorarbeit präsentieren wir Resultate aus drei integralfeldspektroskopischen Beobachtungskampagnen die mit der Intention Lyman α (Lyα) Strahlung von hoch-rotverschobenen Galaxien zu detektieren und zu verstehen durchgeführt wurden.

Die Lyα Emissionslinie im ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums (λ = 1216 Å) ist intrinsisch die stärkste Rekombinationslinie im Linienspektrum sternbildender Galaxien.  Die Linie ist eine Folge der Ionisation des interstellaren Gases durch heiße O- und B- Sterne.  Man erwartet von Galaxien mit Sternentstehungsraten 1 - 10 Msol/Jahr intrinsische Lyα Leuchtkräfte von 42 dex - 43 dex (erg/s), was bei Rotverschiebungen von z~3, bei denen Lyα mit bodengebundenen Teleskopen zu beobachten ist, einem Strahlungsstrom von ~ -17 dex - -18 dex (erg/s/cm²) entspricht.  Allerdings werden nicht von allen sternbildenen Galaxien derartige Lyα Strahlungsströme gemessen.  Dies ist in erster Linie eine direkte Konsequenz des hohen Absorptionsquerschnitts von neutralem Wasserstoff für Lyα Photonen.  Deshalb erfahren Lyα Photonen einen komplexen Strahlungstransportprozess in typischen interstellaren Umgebungen.  Die exakten Bedingungen bei denen Lyα Strahlung eine Galaxie verlassen sind noch nicht hinreichend gut verstanden.


Diesbezüglich werden in Kapitel 2 dieser Arbeit integralfeldspektroskopische Beobachtungsergebnisse der Balmer α Strahlung (Hα, λ = 6562.8 Å) von 14 nahen sternbildenden Galaxien gezeigt.  Die Beobachtungsdaten wurden mit dem Potsdam Multi Aperture Spectrophotometer (PMAS) am Calar Alto 3.5m Teleskop gewonnen.  Hα Strahlung ist eine direkte Kopie des intrinischen Lyα Strahlungsfeldes der Galaxien.  Wir zeigen unsere Hα Geschwindigkeitsfelder und Geschwindigkeitsdispersionsfelder räumlich überlagert zu Hubble-Weltraumteleskop-Bildaufnahmen der Lyα und Hα Strahlungsströme.  Aus diesen Beobachtungen können wir schlussfolgern, dass in einigen Galaxien kausale Zusammenhänge zwischen der Hα-Kinematik und der Lyα-Photometrie bestehen.  Statistisch signifikant finden wir, dass Galaxien, bei denen chaotische Dispersionsbewegungen dominieren, wahrscheinlicher Lyα Strahlung abgeben als Galaxien bei denen die Gasbewegungen durch geordnete Bewegungen dominiert sind.  Dieses Resultat ist ein Indiz dafür, dass Turbulenz im interstellaren Medium aktiv sternbildender Galaxien schafft, welche ein Austreten der Lyα-Strahlung begünstigen.

Neben massereichen Sternen kann nicht-thermische Strahlung eines akretierenden supermassereichen schwarzen Loches eine weitere Energiequelle zur Erzeugung von Lyα Strahlung sein.  Wenn eine Galaxie einen solchen aktiven Galaxienkern enthält, kann die Rate der ionisierenden Photonen 1000-mal höher sein als bei einer normalen sternbildenden Galaxie.  Diese Strahlung hat das Potential große Bereiche weit ausserhalb der Sternansammlungen der Galaxien zu ionisieren.  Deshalb ist zu erwarten, dass der neutrale Wasserstoff in diesen zirkum-galaktischen Gebieten in Lyα-Strahlung fluoresziert.  Dieses zirkum-galaktische Gas spielt eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung von Galaxien.  Zum Einen ist es das Reservoir aus denen Sternentstehungsprozesse ihr Gas beziehen, zum Anderen ist es Wechselwirkungsprozessen ausgesetzt, bei denen Gas aus der Galaxie hinausgeschleudert wird.  Wenn Lyα-Strahlung dieses zirkum-galaktischen Mediums detektiert werden könnte, ließen sich diese fundamentalen Prozesse der Galaxienentwicklung detaillierter studieren.  In Kapitel 3 dieser Arbeit zeigen wir PMAS Beobachtungsdaten von 5 radio-leisen Quasaren in denen wir nach dieser ausgedehnten Lyα-Strahlung gesucht haben.  Jedoch haben wir für 4 unserer Quasare keine signifikanten Spuren dieser ausgedehnten Strahlung entdecken können.  Im fünften Objekt finden wir in Entfernung von einigen Kiloparsec zum Kern Anzeichen für eine schwache und räumlich eher kompakte Quelle. Deartig schwache Flüsse von solchen Strukturen erscheinen konsistent mit der Annahme, dass radio-leise Quasare sich in Halos aus dunkler Materie mit eher moderaten Massen befinden.  Obwohl wir nicht direkt Lyα-Strahlung vom zirkum-galaktischen Medium detektieren konnten, sind unsere Detektionsgrenzen von Nutzem bei der Planung von diesbezüglichen Beobachtungen mit der neuen Generation von Integralfeldspektrographen an 8--10m Teleskopen.

Ein derartiges Instrument ist der Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) am ESO Very Large Telescope.  Einer der Hauptbeweggründe für dessen Konstruktion war die Verwendung als Durchmusterungsinstrument für Lyα emittierende Galaxien bei hohen Rotverschiebungen.  Aktuell führen wir eine derartige Durchmusterungskampagne durch.  Nach deren Abschluss, werden wir eine Fläche von 100 Quadratbogenminuten durchmustert haben.  In Kapitel 5 dieser Arbeit präsentieren wir als erstes Resultat einen Katalog von 831 Emissionslinienselektierten Galaxien in einer 22.2 Quadratbogenminuten großen Region im Chandra Deep Field South.  Um diesen Katalog zu erzeugen, haben wir eine neuartige Quellendetektionsmethode für integralfeldspektroskopische Datensätze entwickelt und implementiert (Kapitel 4).  Unser Katalog enthält 237 Lyα emittierende Galaxien bei Rotverschiebungen 3 ≲ z ≲ 6.  Aufgrund ihrer geringen Kontinuumsflussdichten existierten zuvor nur von 4 dieser Galaxien spektroskopische Rotverschiebungen.  Als Abschluss dieser Arbeit präsentieren wir einen Ausbick bezüglich der Konstruktion einer Leuchtkraftfunktion dieser einzigartigen Lyα Galaxienstichprobe (Kapitel 6).
KW  - astrophysics
KW  - galaxies
KW  - high redshift galaxies
KW  - integral field spectroscopy
KW  - quasars
KW  - Astrophysik
KW  - Galaxien
KW  - Galaxien bei hoher Rotverschiebung
KW  - Integralfeldspektroskopie
KW  - Quasare
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102341
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fournier, Yori
T1  - Dynamics of the rise of magnetic flux tubes in stellar interiors
BT  - a numerical study of compressible non-axisymmetric flux tubes
N2  - In sonnenähnlichen Sternen erhält ein Dynamo-Mechanismus die Magnetfelder. Der Babcock-Leighton-Dynamo beruht auf einem solchen Mechanismus und erfordert insbesondere die Existenz von magnetischen Flussröhren. Man nimmt an, dass magnetische Flussröhren am Boden der Konvetionszone entstehen und durch Auftrieb bis zur Oberfläche steigen. Es wird ein spezielles Dynamomodell vorgeschlagen, in dem der Verzögerungseffekt durch das Aufsteigen der Flussröhren berücksichtigt wird.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendbarkeit des Babcock-Leighton-Dynamos auf andere Sterne. Zu diesem Zweck versuchen wir, die Aufstiegszeiten von magnetischen Flussröhren mit Hilfe von kompressiblen MHD-Simulationen in spärischen Kugelschalen mit Dichteschichtung zu bestimmen und einzugrenzen.

Derartige Simulationen sind allerdings nur in einem unrealistischen Parameterbereich möglich. Deshalb ist eine Skalierungsrelation nötig, die die Ergebnisse auf realistische physikalische Regimes überträgt. Wir erweitern frühere Arbeiten zu Skalierungsrelationen in 2D und leiten ein allgemeines Skalierungsgesetz ab, das für 2D- und 3D-Flussröhren gültig ist. In einem umfangreichen Satz von numerischen Simulationen zeigen wir, dass die abgeleitete Skalierungsrelation auch im vollständig nichtlinearen Fall gilt. Wir haben damit ein Gesetz für die Aufstiegszeit von magnetischen Flussröhren gefunden, dass in jedem sonnenähnlichen Stern Gültigkeit hat. Schließlich implementieren wir dieses Gesetz in einem Dynamomodell mit
Verzögerungsterm.

Die Simulationen eines solchen verzögerten Flussröhren/Babcock-Leighton-Dynamos auf der Basis der Meanfield-Formulierung führten auf ein neues Dynamo-Regime, das nur bei Anwesenheit der Verzögerung existiert. Die erforderlichen Verzögerungen sind von der Gröÿenordnung der Zykluslänge, die resultierenden Magnetfelder sind schwächer als die Äquipartitions-Feldstärke. Dieses neue Regime zeigt, dass auch bei sehr langen Aufstiegszeiten der Flussröhren/Babcock-Leighton-Dynamo noch nichtzerfallende Lösungen liefern und daher auf ein breites Spektrum von Sternen anwendbar sein kann.
N2  - Solar-like stars maintain their magnetic fields thanks to a dynamo mechanism. The Babcock-Leighton dynamo is one possible dynamo that has the particularity to require magnetic flux tubes. Magnetic flux tubes are assumed to form at the bottom of the convective zone and rise buoyantly to the surface. A delayed dynamo model has been suggested, where the delay accounts for the rise time of the magnetic flux tubes; a time, that has been ignored by former studies.

The present thesis aims to study the applicability of the flux tube/Babcock-Leighton dynamo to other stars. To do so, we attempt to constrain the rise time of magnetic flux tubes thanks to the first fully compressible MHD simulations of rising magnetic flux tubes in stratified rotating spherical shells.

Such simulations are limited to an unrealistic parameter space, therefore, a scaling relation is required to scale the results to realistic physical regimes. We extended earlier works on 2D scaling relations and derived a general scaling law valid for both 2D and 3D. We then carried out two large series of numerical experiments and verified that the scaling law we have derived indeed applies to the fully non-linear case. It allowed us to extract a constraint for the rise time of magnetic flux tubes that is valid for any solar-like star. We finally introduced this constraint to a delayed dynamo model.

By carrying out simulations of a mean-field, delayed, flux tube/Babcock-Leighton dynamo, we were able to identify a new dynamo regime resulting from the delay. This regime requires delays about an entire cycle and exhibits subequipartition magnetic activity. Revealing this new regime shows that even for long delays the flux tube/Babcock-Leighton dynamo can still deliver non-decaying solutions and remains a good candidate for a wide range of solar-like stars.
KW  - astrophysics
KW  - stellar physics
KW  - magnetohydrodynamics (MHD)
KW  - numerical experiments
KW  - magnetic flux tubes
KW  - dynamo theory
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-394533
ER  - 
TY  - THES
A1  - Arentsen, Anke
T1  - Galactic archaeology with the oldest stars in the Milky Way
N2  - In einer dunklen Nacht kann man tausende Sterne sehen. All diese Sterne befinden sich innerhalb der Milchstraße, unsere Heimatgalaxie. Nicht alle Sterne sind gleich, sie können zum Beispiel unterschiedliche Größen, Massen, Temperaturen und Alter haben. Die schwereren Sterne leben (aus astronomischer Sicht) nicht lange, nur wenige Millionen Jahren, aber Sterne kleiner als die Sonne können mehr als zehn Milliarden Jahren alt werden. Kleine Sterne die ganz am Anfang des Universums entstanden sind leuchten immer noch. Diese uralten Sterne sind sehr hilfreich um mehr über das frühe Universum, die erste Sterne und die Geschichte der Milchstraße zu erfahren. Aber wie erkennt man uralte Sterne? Anhand ihrer chemischen Fingerabdrücke! Am Anfang des Universums gab es nur zwei chemische Elemente: Wasserstoff und Helium (und ein klein bisschen Lithium). Alle schwereren Elementen wie zum Beispiel Kohlenstoff, Kalzium und Eisen sind erst später innerhalb von Sternen und in Sternexplosionen entstanden. Je mehr Sternen geboren werden, sich entwickeln und explodieren, desto mehr chemische Elemente gibt es im Universum. Sterne die später entstehen werden mit einer größeren Menge an schweren Elementen, beziehungsweise einer größeren Metallizität, geboren. Im Bereich der Astronomie der sich „Galaktische Archäologie” nennt benutzt man Sterne mit unterschiedlichen Metallizitäten um die Geschichte der Milchstraße zu erforschen. In dieser Doktorarbeit liegt der Fokus auf den metallarmen Sterne, da man erwartet dass diese Sterne am ältesten sind und uns deswegen viel über die frühe Geschichte erzählen können.

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

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

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

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

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

The new results from this thesis help us to understand the First Stars and the early history of the Milky Way. Ongoing and future large surveys will provide us with a lot of additional data in the coming years. It is an exciting time for the field of Galactic Archaeology.
T2  - Galaktische Archäologie mit den ältesten Sternen in der Milchstraße
KW  - astrophysics
KW  - stars
KW  - Milky Way
KW  - Galactic Archaeology
KW  - Astrophysik
KW  - Sterne
KW  - Milchstraße
KW  - Galaktische Archäologie
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476022
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Nishikawa, Ken-Ichi
A1  - Hardee, P.
A1  - Zhang, B.
A1  - Dutan, I.
A1  - Medvedev, M.
A1  - Choi, E. J.
A1  - Min, K. W.
A1  - Niemiec, J.
A1  - Mizuno, Y.
A1  - Nordlund, Ake
A1  - Frederiksen, Jacob Trier
A1  - Sol, H.
A1  - Pohl, Martin
A1  - Hartmann, D. H.
T1  - Magnetic field generation in a jet-sheath plasma via the kinetic Kelvin-Helmholtz instability
JF  - Annales geophysicae
N2  - We have investigated the generation of magnetic fields associated with velocity shear between an unmagnetized relativistic jet and an unmagnetized sheath plasma. We have examined the strong magnetic fields generated by kinetic shear (Kelvin-Helmholtz) instabilities. Compared to the previous studies using counter-streaming performed by Alves et al. (2012), the structure of the kinetic Kelvin-Helmholtz instability (KKHI) of our jet-sheath configuration is slightly different, even for the global evolution of the strong transverse magnetic field. In our simulations the major components of growing modes are the electric field E-z, perpendicular to the flow boundary, and the magnetic field B-y, transverse to the flow direction. After the B-y component is excited, an induced electric field E-x, parallel to the flow direction, becomes significant. However, other field components remain small. We find that the structure and growth rate of KKHI with mass ratios m(i)/m(e) = 1836 and m(i)/m(e) = 20 are similar. In our simulations in the nonlinear stage is not as clear as in counter-streaming cases. The growth rate for a mildly-relativistic jet case (gamma(j) = 1.5) is larger than for a relativistic jet case (gamma(j) = 15).
KW  - Solar physics
KW  - astrophysics
KW  - astronomy (Energetic particles)
Y1  - 2013
U6  - https://doi.org/10.5194/angeo-31-1535-2013
SN  - 0992-7689
VL  - 31
IS  - 9
SP  - 1535
EP  - 1541
PB  - Copernicus
CY  - Göttingen
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jappsen, Anne-Katharina
T1  - Present and early star formation : a study on rotational and thermal properties
T1  - Sternentstehung im heutigen und im frühen Universum : eine Studie über Rotationseigenschaften und thermisches Verhalten
N2  - We investigate the rotational and thermal properties of star-forming molecular clouds using hydrodynamic simulations. Stars form from molecular cloud cores by gravoturbulent fragmentation. Understanding the angular momentum and the thermal evolution of cloud cores thus plays a fundamental role in completing the theoretical picture of star formation. This is true not only for current star formation as observed in regions like the Orion nebula or the ρ-Ophiuchi molecular cloud but also for the formation of stars of the first or second generation in the universe.  In this thesis we show how the angular momentum of prestellar and protostellar cores evolves and compare our results with observed quantities. The specific angular momentum of prestellar cores in our models agree remarkably well with observations of cloud cores. Some prestellar cores go into collapse to build up stars and stellar systems. The resulting protostellar objects have specific angular momenta that fall into the range of observed binaries. We find that collapse induced by gravoturbulent fragmentation is accompanied by a substantial loss of specific angular momentum. This eases the "angular momentum problem" in star formation even in the absence of magnetic fields.  The distribution of stellar masses at birth (the initial mass function, IMF) is another aspect that any theory of star formation must explain. We focus on the influence of the thermodynamic properties of star-forming gas and address this issue by studying the effects of a piecewise polytropic equation of state on the formation of stellar clusters. We increase the polytropic exponent γ from a value below unity to a value above unity at a certain critical density. The change of the thermodynamic state at the critical density selects a characteristic mass scale for fragmentation, which we relate to the peak of the IMF observed in the solar neighborhood. Our investigation generally supports the idea that the distribution of stellar masses depends mainly on the thermodynamic state of the gas.  A common assumption is that the chemical evolution of the star-forming gas can be decoupled from its dynamical evolution, with the former never affecting the latter. Although justified in some circumstances, this assumption is not true in every case. In particular, in low-metallicity gas the timescales for reaching the chemical equilibrium are comparable or larger than the dynamical timescales.  In this thesis we take a first approach to combine a chemical network with a hydrodynamical code in order to study the influence of low levels of metal enrichment on the cooling and collapse of ionized gas in small protogalactic halos. Our initial conditions represent protogalaxies forming within a fossil HII region -- a previously ionized HII region which has not yet had time to cool and recombine. We show that in these regions, H2 is the dominant and most effective coolant, and that it is the amount of H2 formed that controls whether or not the gas can collapse and form stars. For metallicities Z <= 10<sup>-3 Zsun, metal line cooling alters the density and temperature evolution of the gas by less than 1% compared to the metal-free case at densities below 1 cm<sup>-3 and temperatures above 2000 K. We also find that an external ultraviolet background delays or suppresses the cooling and collapse of the gas regardless of whether it is metal-enriched or not. Finally, we study the dependence of this process on redshift and mass of the dark matter halo.
N2  - Sterne sind fundamentale Bestandteile des Kosmos. Sie entstehen im Inneren von turbulenten Molekülwolken, die aus molekularem Wasserstoffgas und Staub bestehen. Durch konvergente Strömungen in der turbulenten Wolke bilden sich lokale Dichtemaxima, die kollabieren, falls die zum Zentrum der Wolke gerichtete Schwerkraft über die nach außen gerichteten Druckkräfte dominiert. Dies ist der Fall, wenn die Masse des Gases einen kritischen Wert überschreitet, der Jeansmasse genannt wird. Die Jeansmasse hängt von der Dichte und der Temperatur des Gases ab und fällt im isothermen Fall mit steigender Dichte stetig ab, so dass während des Kontraktionsprozesses immer kleinere Teilmassen instabil werden. Es kommt zur Fragmentierung der Molekülwolke zu protostellaren Kernen, den direkten Vorläufern der Sterne.  In der vorliegenden Arbeit werden die zeitliche Entwicklung des Drehimpulses der protostellaren Kerne und der Einfluss der thermischen Eigenschaften des Gases mit Hilfe von dreidimensionalen hydrodynamischen Simulationen untersucht. Hierbei konzentrieren wir uns auf zwei fundamentale Probleme, die jede Theorie der Sternentstehung lösen muss: das "Drehimpulsproblem" und die Massenverteilung der Sterne (IMF). Die thermischen Eigenschaften des Gases sind nicht nur von Bedeutung für die derzeitige Sternentstehung in beobachtbaren Regionen wie z.B. der Orionnebel oder die ρ-Ophiuchi Molekülwolke, sondern auch für die Entstehung von Sternen der ersten und zweiten Generation im frühen Universum.  Wir betrachten die Entwicklung des spezifischen Drehimpulses von protostellaren Kernen und vergleichen unsere Resultate mit beobachteten Werten. Wir finden eine gute Übereinstimmung zwischen den spezifischen Drehimpulsen der protostellaren Kerne in unserem Model und denen der beobachteten Kerne in Molekülwolken. In unseren Simulationen geht der gravitative Kollaps mit einem Verlust an spezifischem Drehimpuls einher. Somit kann das Drehimpulsproblem der Sternentstehung auch ohne Betrachtung der Magnetfelder entschärft werden.  Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der thermodynamischen Eigenschaften des Gases auf die Massenverteilung der Sterne, die aus diesem Gas entstehen. Wir verwenden eine stückweise polytrope Zustandgleichung, die die Temperatur-Dichte-Beziehung genauer beschreibt. Wir zeigen, dass Veränderungen in der Zustandgleichung bei einer bestimmten Dichte einen direkten Einfluss auf die charakteristische Massenskala der Fragmentierung haben und somit den Scheitelpunkt der Sternmassenverteilung in der solaren Umgebung bestimmen.  Des Weiteren sind die thermodynamischen Eigenschaften des Gases auch für die Sternentstehung im frühen Universum von Bedeutung. Das primordiale Gas, aus dem die ersten Sterne gebildet wurden, enthält keine Metalle (Elemente schwerer als H oder He), da diese erst durch Kernreaktionen in Sternen gebildet werden. In dieser Arbeit untersuchen wir den Einfluss einer geringen Metallizität auf das Kühlungs- und Kollapsverhalten von Gas, aus welchem die zweite Generation von Sternen entstanden ist. Dieses Gas ist anfänglich heiß und ionisiert und befindet sich in kleinen protogalaktischen Halos aus dunkler Materie. Unsere hydrodynamischen Simulationen, die auch ein adäquates chemisches Netzwerk beinhalten, zeigen, dass die Temperatur- und Dichteentwicklung des Gases während der Anfangsphase des Kollapses durch eine geringe Metallizität im Gas kaum beeinflusst wird. Wir stellen weiterhin fest, dass externe ultraviolette Strahlung den Kühlprozess des Gases ohne Metallizität und des Gases mit geringer Metallizität gleichermaßen verzögert oder sogar verhindert. Außerdem untersuchen wir den Einfluss der Rotverschiebung und der Masse des Halos aus dunkler Materie auf die Kühlung und den Kollaps des Gases.
KW  - Sternentstehung
KW  - Astrophysik
KW  - Turbulenz
KW  - Hydrodynamisches Modell
KW  - Gravitationskollaps
KW  - star formation
KW  - astrophysics
KW  - turbulence
KW  - numerical simulation
KW  - hydrodynamical model
KW  - self-gravity
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7591
ER  - 
TY  - THES
A1  - Klessen, Ralf S.
T1  - The relation between interstellar turbulence and star formation
N2  - Eine der zentralen Fragestellungen der modernen Astrophysik ist es, unser Verständnis fuer die Bildung von Sternen und Sternhaufen in unserer Milchstrasse zu erweitern und zu vertiefen. Sterne entstehen in interstellaren Wolken aus molekularem Wasserstoffgas. In den vergangenen zwanzig bis dreißig Jahren ging man davon aus, dass der Prozess der Sternentstehung vor allem durch das Wechselspiel von gravitativer Anziehung und magnetischer Abstossung bestimmt ist. Neuere Erkenntnisse, sowohl von Seiten der Beobachtung als auch der Theorie, deuten darauf hin, dass nicht Magnetfelder, sondern Überschallturbulenz die Bildung von Sternen in galaktischen Molekülwolken bestimmt.  Diese Arbeit fasst diese neuen Überlegungen zusammen, erweitert sie und formuliert eine neue Theorie der Sternentstehung die auf dem komplexen Wechselspiel von Eigengravitation des Wolkengases und der darin beobachteten Überschallturbulenz basiert. Die kinetische Energie des turbulenten Geschwindigkeitsfeldes ist typischerweise ausreichend, um interstellare Gaswolken auf großen Skalen gegen gravitative Kontraktion zu stabilisieren. Auf kleinen Skalen jedoch führt diese Turbulenz zu starken Dichtefluktuationen, wobei einige davon die lokale kritische Masse und Dichte für gravitativen Kollaps überschreiten koennen. Diese Regionen schockkomprimierten Gases sind es nun, aus denen sich die Sterne der Milchstrasse bilden. Die Effizienz und die Zeitskala der Sternentstehung hängt somit unmittelbar von den Eigenschaften der Turbulenz in interstellaren Gaswolken ab. Sterne bilden sich langsam und in Isolation, wenn der Widerstand des turbulenten Geschwindigkeitsfeldes gegen gravitativen Kollaps sehr stark ist. Überwiegt hingegen der Einfluss der Eigengravitation, dann bilden sich Sternen in dichten Gruppen oder Haufen sehr rasch und mit grosser Effizienz.   Die Vorhersagungen dieser Theorie werden sowohl auf Skalen einzelner Sternentstehungsgebiete als auch auf Skalen der Scheibe unserer Milchstrasse als ganzes untersucht. Es zu erwarten, dass protostellare Kerne, d.h. die direkten Vorläufer von Sternen oder Doppelsternsystemen, eine hochgradig dynamische Zeitentwicklung aufweisen, und keineswegs quasi-statische Objekte sind, wie es in der Theorie der magnetisch moderierten Sternentstehung vorausgesetzt wird. So muss etwa die Massenanwachsrate junger Sterne starken zeitlichen Schwankungen unterworfen sein, was wiederum wichtige Konsequenzen für die statistische Verteilung der resultierenden Sternmassen hat. Auch auf galaktischen Skalen scheint die Wechselwirkung von Turbulenz und Gravitation maßgeblich. Der Prozess wird hier allerdings noch zusätzlich moduliert durch chemische Prozesse, die die Heizung und Kühlung des Gases bestimmen, und durch die differenzielle Rotation der galaktischen Scheibe. Als wichtigster Mechanismus zur Erzeugung der interstellaren Turbulenz lässt sich die Überlagerung vieler Supernova-Explosionen identifizieren, die das Sterben massiver Sterne begleiten und große Mengen an Energie und Impuls freisetzen. Insgesamt unterstützen die Beobachtungsbefunde auf allen Skalen das Bild der turbulenten, dynamischen Sternentstehung, so wie es in dieser Arbeit gezeichnet wird.
N2  - Understanding the formation of stars in galaxies is central to much of modern astrophysics. For several decades it has been thought that the star formation process is primarily controlled by the interplay between gravity and magnetostatic support, modulated by neutral-ion drift. Recently, however, both observational and numerical work has begun to suggest that supersonic interstellar turbulence rather than magnetic fields controls star formation.   This review begins with a historical overview of the successes and problems of both the classical dynamical theory of star formation, and the standard theory of magnetostatic support from both observational and theoretical perspectives. We then present the outline of a new paradigm of star formation based on the interplay between supersonic turbulence and self-gravity. Supersonic turbulence can provide support against gravitational collapse on global scales, while at the same time it produces localized density enhancements that allow for collapse on small scales. The efficiency and timescale of stellar birth in Galactic gas clouds strongly depend on the properties of the interstellar turbulent velocity field, with slow, inefficient, isolated star formation being a hallmark of turbulent support, and fast, efficient, clustered star formation occurring in its absence.   After discussing in detail various theoretical aspects of supersonic turbulence in compressible self-gravitating gaseous media relevant for star forming interstellar clouds, we explore the consequences of the new theory for both local star formation and galactic scale star formation. The theory predicts that individual star-forming cores are likely not quasi-static objects, but dynamically evolving. Accretion onto these objects will vary with time and depend on the properties of the surrounding turbulent flow. This has important consequences for the resulting stellar mass function. Star formation on scales of galaxies as a whole is expected to be controlled by the balance between gravity and turbulence, just like star formation on scales of individual interstellar gas clouds, but may be modulated by additional effects like cooling and differential rotation. The dominant mechanism for driving interstellar turbulence in star-forming regions of galactic disks appears to be supernovae explosions. In the outer disk of our Milky Way or in low-surface brightness galaxies the coupling of rotation to the gas through magnetic fields or gravity may become important.
KW  - Sterne
KW  - Sternentstehung
KW  - Turbulenz
KW  - Astrophysik
KW  - Galaxien
KW  - interstellare Materie
KW  - stars
KW  - star formation
KW  - turbulence
KW  - astrophysics
KW  - galaxies
KW  - interstellar matter
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001118
ER  - 
TY  - THES
A1  - Streich, David
T1  - Understanding massive disk galaxy formation through resolved stellar populations
T1  - Über die Entstehung massiver Scheibengalaxien anhand 
Aufgelöster Stellare Populationen
N2  - In this thesis we utilize resolved stellar populations to improve our understanding of galaxy formation and evolution. In the first part we improve a method for metallicity determination of faint old stellar systems, in the second and third part we analyze the individual history of six nearby disk galaxies outside the Local Group.

A New Calibration of the Color Metallicity Relation of Red Giants for HST data:
It is well known, that the color distribution of stars on the the Red Giant Branch (RGB) can be used to determine metallicities of old stellar populations that have only shallow photometry. Based on the largest sample of globular clusters ever used for such studies, we quantify the relation between metallicity and color in the widely used HST ACS filters F606W and F814W.
We use a sample of globular clusters from the ACS Globular Cluster Survey and measure their RGB color at given absolute magnitudes to derive the color-metallicity relation. We find a clear relation between metallicity and RGB color; we investigate the scatter and the uncertainties in this relation and show its limitations. A comparison with isochrones shows reasonably good agreement with BaSTI models, a small offset to Dartmouth models, and a larger offset to Padua models.
Even for the best globular cluster data available, the metallicity of a simple stellar population can be determined from the RGB alone only with an accuracy of 0.3 dex for [M/H]<-1, and 0.15 dex for [M/H]>-1. For mixed populations, as they are observed in external galaxies, the uncertainties will be even larger due to uncertainties in extinction, age, etc. Therefore caution is necessary when interpreting photometric metallicities.

The Structural History of Nearby Low Mass Disk Galaxies:
We study the individual evolution histories of three nearby, low-mass, edge-on galaxies (IC5052, NGC4244, NGC5023).
Using the color magnitude diagrams of resolved stellar populations, we construct star count density maps for populations of different ages and analyze the change of structural parameters with stellar age within each galaxy.
The three galaxies show low vertical heating rates, which are much lower than the heating rate of the Milky Way. This indicates that heating agents, as giant molecular clouds and spiral structure are weak in low mass galaxies.
We do not detect a separate thick disk in any of the three galaxies, even though our observations cover a larger range in equivalent surface brightness than any integrated light study. While scaleheights increase with age, each population can be well described by a single disk. Only two of the galaxies contain a very weak additional component, which we identify as the faint halo. The mass of these faint halos is less than 1% of the mass of the disk.
All populations in the three galaxies exhibit no or only little flaring. While this finding is consistent with previous integrated light studies, it poses strong constraints on galaxy formation models, because most theoretical simulations often find strong flaring due to interactions or radial migration.
Furthermore, we find breaks in the radial profiles of all three galaxies. The radii of these breaks are independent of age, and the break strength is decreasing with age in two of the galaxies (NGC4244 and NGC5023). This is consistent with break formation models, that combine a star formation cutoff with radial migration. The differing behavior of IC5052 can be explained by a recent interaction or minor merger.

The Structural History of Massive Disk Galaxies:
We extend the structural analysis of stellar populations with distinct ages to three massive galaxies, NGC891, NGC4565 and NGC7814. While confusion effects due to the high stellar number densities in their central region, and the prominent dust lanes inhibit an detailed analysis of the radial profiles, we can study their vertical structure.

These massive galaxies also have a slower heating than the Milky Way, comparable to the low mass galaxies. This can be traced back to their already thick young populations and thick layers of their interstellar medium.

We do not find a clear separate thick disk in any of these three galaxies; all populations can be described by a single disk plus a S\'ersic bulge/halo component. In contrast to the low mass galaxies, we cannot rule out the presence of thick disks in the massive galaxies, because of the strong influence of the halo, that might hide the possible contribution of the thick disk to the vertical star count profiles. However, the faintness of the possible thick disks still points to problems in the earlier ubiquitous findings of thick disks in external galaxies.
N2  - Es ist noch nicht einmal einhundert Jahre her, dass sich in der ``Großen Debatte'' die beiden Astronomen Harlow Shapley und Heber Curtis über die Frage stritten, wie groß unsere Milchstraße sei und ob die Spiralnebel innerhalb dieser lägen oder eigene, von dieser getrennte Objekte seien. Seitdem diese Fragen in den darauffolgenden Jahren, insbesondere durch die Arbeiten Hubbles, gelöst werden konnten, hat das Forschungsfeld der Galaxienentstehung und -entwicklung bis heute enorme Fortschritte gemacht, und lässt doch noch so viele Frage offen. 
Das Schwierige, aber eben auch das Interessante an der Physik der Galaxien besteht darin, dass sich hier so viele Teilbereiche der (Astro-)physik treffen: von der allgemeinen Relativitätstheorie und der Kosmologie, die die Anfangs- und Randbedingungen geben, über die Dynamik kollisionsfreier Systeme für die Bewegung von Sternen und die Hydrodynamik zum Verständnis der Sternentstehung, bis zur Kernphysik zur Entstehung der Elemente in Sternen und Supernovae. All diese verschiedenen Prozesse (und viele mehr) beeinflussen das Bild der Galaxien, das wir heute sehen.

In dieser Arbeit benutzen wir aufgelöste Sternenpopulationen, d.h. photometrische Messungen einer großen Zahl einzelner Sterne, um die Entstehungseschichte von Galaxien zu erforschen. Das Hauptwerkzeug dabei ist das Farben-Helligkeits-Diagramm der Sterne. Seit den frühen Arbeiten Ejnar Hertzsprungs und Henry Russels zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts ist bekannt, dass Sterne in einem Diagramm, in dem die absolute Helligkeit (oder analog die Leuchtkraft) über der Spektralklasse (oder analog der Effektivtemperatur oder der Farbe) der Sterne aufgetragen ist, nur bestimmte Bereiche belegen. Die genaue  Verteilung der Sterne in einem solchen Diagramm wird vor allem durch das Alter und die chemische Zusammensetzung, d.h. die Metallizität, bestimmt. Dies bedeutet, dass man aus der verteilung der Sterne im Farben-Helligkeits-Diagramm Rückschlüsse auf deren Alter und Metallizität, und daraus Rückschüsse auf die Entwicklund einer Galaxie ziehen kann.
Im ersten Teil der Arbeit widmen wir uns der Farb-Metallizitäts-Beziehung von Roten Riesensternen, die genutzt weden kann, um die Metallizität alter Sternenpopulation aus rein photometrischen Messungen zu bestimmen. Wir verbessern diese Beziehung, die im Grundsatz schon lange bekannt ist, für die Filtersysteme des Hubble-Weltraumteleskopes. Ausgehend von einer Probe von 71 Kugelsternhaufen, für die sowohl spektroskopische Metallizitätsbestimmungen als auch Photometrie mit den Hubble Filtern F606W und F814W verfügbar sind, haben wir die Farben-Helligkeitsbeziehung neu bestimmt und die Streuung um diese Beziehung sowie die Unsicherheiten untersucht. Im Vergleich mit theoretischen Sternentwicklungsmodellen zeigt sich, dass die beobachtete Beziehung gut mit den BaSTI-Modellen übereinstimmt, während die Dartmouth-Modelle eine kleine, und die Padua-Modelle eine größere Abweichung aufzeigen.
Desweiteren zeigen wir, dass selbst für die derzeit besten Daten von einfachen, eindeutig alten Populationen, wie die Kugelsternhaufen sie darstellen, eine Metallizitätsbestimmung anhand des Roten-Riesenastes nur mit einer Genauigkeit von 0.3 dex für niedrige Metallizitäten ([M/H]<-1), und mit einer Genauigkeit von 0.15 dex für höhere Metallizitäten durchgeführt werden kann. In komplizierteren Fällen mit gemischten Populationen, wie sie in externen Galaxies häufig zu finden sind, sind die Unsicherheiten noch größer.

Im weiteren Teil der Arbeit erforschen wir die Entstehungsgeschichte von sechs nahen edge-on Scheibengalaxien, von denen drei eine Rotationsgeschwindigkeit ähnlich der Milchstraße haben, während drei weitere deutlich kleiner sind. Mit Hilfe der Farben-Helligkeits-Diagramme unterteilen wir deren Sterne in Populationen unterschiedlichen Alters und erstellen Karten der Anzahldichte einer jeden Population. Damit untersuchen wir dann die Abhängigheit der strukturellen Parameter, wie z.B. Skalenhöhe und -länge, vom Alter der Sterne.

In allen Galaxien finden wir einen Anstieg der Skalenhöhe mit dem Alter, dessen Stärke jedoch deutlich unterhalb dem der Milchstraße liegt. In den drei massearmen Galaxien kann dies durch eine geringere Häufigkeit und Stärke der die Heizung verursachenden Streuzentren (z.B. Riesenmolekülwolken oder Spiralarme) erklärt werden. In den drei massereichen Galaxien hängt dies wahrschinlch mit der bereits intrinsisch dickeren Verteilung des interstellaren Mediums und der jungen Sterne zusammen.

Weiterhin untersuchen wir die Veränderung der Skalenhöhe mit zunehmenden Radius in den Galaxien und finden nur eine geringen Anstieg der Skalenhöhe zu den Außenbereichen der Galaxien hin. Dies ist in Übereinstimmung mit vorherigen Beobachten, stellt jedoch eine bedeutsamen Einschränkung für Galaxiensimulationen dar, in denen oftmals eine starke Aufweitung der Scheiben zu ihrem Rand hin stattfindet.

In keiner der Galaxien entdecken wir eine separate dicke Scheibe. In den massearmen Galaxien kann jede der Population gut durch eine einfache Scheibe beschrieben werden. Darüberhinaus finden wir in zwei Galaxien lediglich eine sehr schwache Halo-Komponente, die mit einer maximalen Masse von nur 1% der Masse der Scheibe aber deutlich schwächer ist als es für eine dicke Scheibe erwartet würde. In den massereicheren Galaxien können die Populationen jeweils mit einer Kombination aus einer Scheibe und einer gemeinsamen S\'ersic-Komponente für Halo und Bulge beschrieben werden. Hier können wir die Existenz einer dicken Scheiben nicht mit Sicherheit ausschließen, da die Präsenz einer massiven Halo/Bulge-Komponente eine mögliche Messung der dicken Scheibe verhindern könnte. Allerdings deutet das Fehlen der dicken Scheiben in unseren Beobachtungen darauf hin, dass eventuelle dicke Scheiben deutlich schwächer sein müssen als sie andere Studien bisher gefunden haben.
KW  - astrophysics
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KW  - Astrophysik
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KW  - Galaxienentstehung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-81027
ER  -