Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/05

In the centre of our Galaxy lies Sgr~A*, a $3.5 \times 10^6$ solar mass black

hole, immersed in a star cluster with dozens of massive stars. The very low

luminosity of Sgr~A*, and the presence of young stars in the close proximity

of a super-massive black hole, make the Galactic centre a very interesting

region on its own. Moreover, its proximity allows the study of the physics of

galactic nuclei with a level of detail unattainable in any other system.

In this thesis, we first show that the interaction of massive stars

with an accretion disc would appear as strongly variable emission in

the near infra-red. Since observations have not shown this

variability, we strongly constrain the current existence of such a

disc in the Galactic centre. We argue however that a massive gaseous

disc existed around Sgr~A* only a few million years ago. The evidence

for this idea comes from the presence of young massive stars in two

stellar discs. We estimate the properties of the gaseous disc that

gave rise to the massive stars, and we analyse the stellar orbits to

constrain this scenario. A related but separate topic presented here

is the role of the stellar winds expelled by the same stars in feeding

Sgr~A* and shaping its immediate gaseous environment. We find that a

fraction of these stellar winds form cold clumps that coexist with the

X-ray emitting gas, forming a two-phase medium. Only a small fraction

of the gas is captured by Sgr~A*, with an accretion rate strongly

variable on time-scales of hundreds of years. This variability

suggests that the time-averaged energy output of Sgr~A* may be much

larger than what is currently observed.

This study aimed to trace how the stellar kinematics evolve when two gas-rich galaxies merge. To study the evolution of such mergers, Very-Large-Telescope observations were performed for the best-suited galaxy population in the local Universe, the Ultraluminous Infrared Galaxies (ULIRGs). The prodigious infrared emission in ULIRGs originates from the intense star formation that occurs when large amounts gas are driven to the center of the merging system. We acquired near-infrared H- and K-band spectroscopic data of 54 ULIRGs at various merger phases; approximately half of the sources in our sample have two distinct nuclei. For each source, we derived the stellar kinematics from the high-resolution spectra by studying the profile of the stellar CO absorption lines. The shape of the profile along various slit positions enables us to measure the rotational velocity, V_rot, and velocity dispersion, sigma, and to compute the stellar and black hole (BH) masses. We find that ULIRGs are mostly triggered by mergers of roughly equal-mass galaxies. Their mean velocity dispersion equals 150+- 33 km/s. A possible trend of dynamical heating of the galaxies as the merger evolves is observed at marginal statistical levels. The kinematic, structural, and photometric properties of ULIRGs indicate that they are dispersion-dominated systems and that they mainly result in the formation of 10^10-10^11 solar-mass elliptical galaxies (Es). Their locus on the fundamental plane of Es indicates that their end products are typically inconsistent with giant Es. The BH masses in ULIRGs are of the order 10^7- 10^8 solar. To investigate whether ULIRGs go through quasar (QSO) phases during their evolution, we have acquired similar data for 12 local Palomar-Green (PG) QSOs. The mean bulge dispersion of the PG QSOs in our sample equals 186 +-24 km/s. The measurement of the stellar dispersion in QSOs enables us to place them on significant observational diagrams, such as the local BH mass and host-galaxy bulge relation and the fundamental plane of Es. On the latter, PG QSOs are located between the regions occupied by moderate-mass and giant Es. Their bulge and BH masses are on the order of 10^11 and 5*10^7-10^8 solar masses respectively. PG QSOs seem to be triggered by gas-rich mergers, and therefore likely formed in an analogous manner to ULIRGs. However, other local QSOs with supermassive black holes of 5*10^8-10^9 solar masses that reside in massive spheroids have a different formation mechanism.

Recent measurements of the Cosmic Microwave Background (CMB) have allowed the most

accurate determinations yet of the parameters of the standard CDM model, but the data

also contain intriguing anomalies that are inconsistent with the assumptions of statistical

isotropy and Gaussianity. This work investigates possible sources of such anomalies by

studying the morphology of the CMB. An unexpected correlation is found between the

CMB anisotropies and a temperature pattern generated in a Bianchi Type VIIh universe,

i.e., an anisotropic universe allowing a universal rotation or vorticity. This model is found to

be incompatible with other observations of the cosmological parameters, but correcting for

such a component can serendipitously remove many of the anomalies from the WMAP sky.

This result indicates that an alternative cosmological model producing such a morphology

may be needed. A similar cross-correlation method applied to the microwave foregrounds

studies the variation of the spectral behaviours of the Galactic emission processes across the

sky. The results shed light on the unexpectedly low free-free emission amplitude as well as

the nature of the anomalous dust-correlated emission that dominates at low frequencies. As

a complementary method, phase statistics apply to situations where no a priori knowledge

of the spatial structure informs the search for a non-Gaussian signal. Such statistics are applied to compact topological models as well as to foreground residuals, and a preliminary

analysis shows that these may prove powerful tools in the study of non-Gaussianity and

anisotropy.

The analysis presented in this thesis concerns the $e^{+}p$ deep inelastic

charged current scattering cross sections measured with the H1 detector at HERA.

The analysed data were taken in the years 2003-04 at a centre-of-mass energy

$\sqrt{s} = 319 \ GeV $ and comprise two periods of

positron beams with positive and negative longitudinal polarisation, corresponding

to an integrated luminosity of 26.9 $pb^{-1}$ and 20.7 $pb^{-1}$, respectively.

The cross sections are measured in a kinematic region of

four-momentum transfer squared $Q^2 \geqslant 300 \ GeV^2$ and inelasticity

$y \leqslant 0.9$. \\

From the analysed data the polarisation dependence of the total charged current

cross section is determined for the first time at high $Q^2$. The results are

compared with predictions of the Standard Model and found to be in agreement,

i.e. possible contributions from non-standard right-handed currents are

consistent with zero.

Für die Heranbildung der Qualitäten, die von den angehenden Lehrkräften für Physik in ihrem Beruf verlangt werden, ist eine beträchtliche Lern- und Übungszeit notwendig. Die Effizienz der Lehrveranstaltungen an der Universität ist aufgrund der Vielfalt dieser geforderten Kompetenzen von höchster Wichtigkeit. Der in der Hochschullehre traditionell verbreitete Vorlesungsbetrieb für die Vermittlung des Basiswissens der Physik erreicht die benötigte Effizienz meist nicht, da die Lernphase meist erst während einer Nachbearbeitungszeit außerhalb der Vorlesung stattfinden muss. Oft können die Studierenden die notwendige Nachbearbeitungszeit jedoch nicht regelmäßig investieren, so dass das Lernen nicht kumulativ sondern erst vor einer Prüfung erfolgt.

Um die Lehrveranstaltung an der Universität effektiver zu gestalten, wurde ein tutoriell und multimedial gestütztes Lehr-Lern-System entwickelt. Es wird seit dem Sommersemester 2003 in der zweisemestrigen Veranstaltung „Physik der Materie“ eingesetzt. Die Konzeption der Materialien des Lehr-Lern-Systems ist auf die Zielgruppe abgestimmt: Die Teilnehmer sind Studierende der Physik für das Lehramt „Unterrichtsfach Physik“ (Realschule) und Studierende mit Physik als Nebenfach. Durch Eigenaktivität der Studierenden und durch Förderung autonomen Verhaltens soll der Lernerfolg gesteigert werden und die notwendige Nachbearbeitungszeit weitgehend entfallen. Ein Mehrwert der in diesem Lehr-Lern-System angewandten Methodik liegt im Üben der Kooperation, im Schaffen eines Gruppengefühls und einer angenehmen Lernatmosphäre.

Mit Hilfe einer Vergleichsuntersuchung konnte innerhalb des dreijährigen Forschungsprojektes die Überlegenheit des Lehr-Lern-Systems im Vergleich zu Lehrveranstaltungen im Vorlesungsstil nachgewiesen werden: Die benötigte Studierzeit außerhalb der Lehrveranstaltung, in der das Lehr-Lern-System eingesetzt wurde, hat sich im Vergleich zu einer Vorlesung erheblich reduziert. Die Arbeitszeit der meisten Teilnehmer beschränkt sich auf den Veranstaltungszeitrahmen. Es ist gelungen, eine lernförderliche Atmosphäre zu schaffen und kooperative Lernformen zu üben.

Die Überprüfung des Lernerfolgs fand mit Hilfe einer Vergleichsuntersuchung statt.

Die positiven Ergebnisse der Untersuchung sollten Konsequenzen für die Gestaltung der Veranstaltungen der Hochschullehre haben. Die für ein modernes Lehramtstudium aufgestellten Thesen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft spiegeln sich teilweise in der Gestaltung des Lehr-Lern-Systems der „Physik der Materie“ wider.

In fusion plasma devices, fast particles i.e. suprathermal ions generated by heating systems and fusion born a particles must be well confined, until they have transferred their energy to the plasma bulk. Signicant loss of these ions may reduce drastically the heating eficiency and, in addition, may cause damage to plasma facing components in the vacuum vessel, if it is suficiently intense and localized. A detailed knowledge of the underlying physics in particular in the presence of magnetohydrodynamic (MHD) instabilities is of crucial importance, since these instabilities can lead to an enhancement of the outwards fast ion radial drift.

The development of a new diagnostic for the study of fast particle-wave interactions in the ASDEX Upgrade tokamak as well as the interpretation of the rst measurements have been the aim of this thesis. The design is based on similar diagnostics that have been operated in the TFTR tokamak and the W7-AS stellerator. The fast ion loss detector acts as a magnetic spectrometer, dispersing fast ions onto a scintillator, with the strike point depending on their gyroradius (energy) and pitch angle (angle between ion velocity and magnetic eld line). The emitted light pattern allows particle identification in the phase space with a high time resolution.

The major new development for the diagnostic used on ASDEX Upgrade is the use of a very fast scintillator material that allows sampling rates up to 1 MHz, adequate to study time resolved interactions between MHD modes and fast particles.

Fast Ion Losses (FIL) were found in the presence of different kinds of MHD instabilities: time resolved FIL due to Edge Localized Modes (ELMs) have been directly observed. They show a complex behavior of a great variety, depending on the ELM substructure. The influence of ELMs on escaping fast particles is appreciable in the whole lost particle phase space independent of the fast ion source. FIL could be measured in the presence of Toroidal Alfv´en Eigenmodes (TAEs) in ICRH heated discharges. Both species, fast hydrogen and deuterium ions are affected in a similar way by TAEs. A resonant process between the TAE frequency and the precession frequency of the lost ions has been identied by comparisons with HAGIS simulations as the loss mechanism. A new MHD perturbation has been observed for the first time during this thesis by means of its strong influence on the energetic deuterium ion population.

The mode is localized deeply in the plasma core and dominates the uxes of lost fast

deuterium ions in ICRH heated discharges. Finally, bursts of fast deuterium ions ejected by Neoclassical Tearing Modes have been detected in discharges with different heating systems.

In pure NBI heated discharges, these ions have energies approximately equal to the full NBI injection energy and pitch angles corresponding to ions on passing orbits. A detailed study of the FIL signal together with Mirnov coil signals revealed that the losses are due to a diffusive process. According to this, simulations with the ORBIT code have proven that orbit stochasticity is a good candidate for the mechanism that causes the losses of these, in principle well confined, passing ions. These results revealed the high diagnostic potential of this method, opening new ways towards a better understanding of the fast ion physics and therefore will help to predict the behavior of fast ions in the presence of MHD instabilities for ITER.

Im Gebiet des Carpentaria Golfes im Norden Australiens entstehen regelmäßig mesoskalige Konvergenzlinien in der unteren Troposphäre. Diese produzieren gegen Ende der Trockenzeit oft spektakulären Wolkenlinien, die auf Satellitenbildern zu sehen sind und je nach ihren Eigenschaften ''Morning Glory'' oder ''North Australian Cloud Line'' (NACL) genannt werden. Morning Glories sind glatte Wellenwolken während NACLs konvektive Wolkenlinien sind. Sie stehen unter dem Verdacht, später im Jahr, während der Australische Sommermonsun ruht, eine Reihe von Unwettern auszulösen, die ein bedeutendes Vorhersageproblem für diese Region darstellen. Des Weiteren stellt die einhergehende bodennahe Windscherung eine große Gefahr für tieffliegende Flugzeuge dar. Um die Entstehung dieser Konvergenzlinien mit bis dahin einmaliger Genauigkeit zu dokumentieren, wurde im Herbst 2002 die internationale Meßkampagne GLEX (Gulf Lines Experiment) durchgeführt. Das mesoskalige Modell der Pennsylvania State University und des National Center for Atmospheric Research, MM5, wird in dieser Arbeit für eine Untersuchung dieser Linien benutzt. Da die Linien intrinsisch nicht hydrostatisch sind, sollte das MM5 bei der geforderten hohen horizontalen Auflösung als nichthydrostisches Modell in Vorhersage und Modellierung den für frühere Studien verwendeten hydrostatisch balancierten Modellen überlegen sein.

Den zunächst vorgestellten Fallstudien gingen Sensitivitätsstudien bezüglich der Grenzschichtparameterisierung und der Bodenfeuchte voraus, die aber aus Gründen der Lesbarkeit erst später beschrieben werden. Im Rahmen der Fallstudien werden Modellergebnisse mit Ergebnissen aus der Meßkampagne und verfügbaren Satellitenbildern verglichen, sowie weitere Charakteristika der sich bildenden Linien untersucht. Das Modell kann in der gewählten Konfiguration die Konvergenzlinien in noch nie da gewesener Detailliertheit reproduzieren und die Ergebnisse stimmen gut mit den Beobachtungen überein. Weitere Ergebnisse dieser Studie bestätigen früher aufgestellte Theorien, nach denen das nordöstliche Morning Glory und die NACL in Folge eines Zusammenstoßes zweier Seebriesen über der Kap York Halbinsel entstehen. Zum ersten Mal hat ein Modell zwei getrennte Konvergenzlinien produziert, die dem nordöstlichen Morning Glory und der NACL entsprechen. Als Trennungsmechanismus beider sich aus der Ostküstenseebriese entwickelnden Konvergenzlinien wird hier zunächst die Geometrie der Ostküste vorgeschlagen, die auf dem Breitengrad, auf dem die Trennung im allgemeinen erfolgt, einen ausgeprägten Knick aufweist. Für die Entstehung des südlichen Morning Glorys wird eine erst kürzlich aufgestellte Theorie bestätigt, in der die Kollision der südlichen Seebriese mit einer sich von Süden her nähernden Front als Mechanismus angenommen wird. Diese Front formiert sich am Abend entlang einer Troglinie, die ein klimatisches Merkmal Queenslands ist. In einigen der Fälle wurden Trockenlinien beobachtet, die auf das südliche Morning Glory folgten. Auch diese stimmen im Modell gut mit den Beobachtungen überein. Eines der seltener beobachteten südöstlichen Morning Glories kann leider nicht vom Modell reproduziert werden. Als Ursache wird vermutet, daß eine Troglinie im datenarmen Gebiet südlich des Golfs von Carpentaria nicht korrekt in den Anfangsbedingungen positioniert ist. Eine Untersuchung der Strömung hinter den Konvergenzlinien zeigt, daß Morning Glories Wellenphänomene sind. NACLs hingegen behalten den Dichteströmungscharakter der Seebriese bei.

Eine Sensitivitätstudie bezüglich der Grenzschichtparameterisierung wird durchgeführt, weil sich die hier untersuchten Phänomene in der planetaren Grenzschicht abspielen. Eine Gruppe von Parametrisierungen stellt sich anderen als überlegen heraus und als Grund für diese guten Ergebnisse wird die Berücksichtigung der großräumigen Gradienten identifiziert, die in den schlechter abschneidenden Parametrisierungen fehlt. Als beste Parametrisierung wird das MRF