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From galaxy clusters to cosmology
Full text linkGalaxy clusters are the largest collapsed structures in the universe. Using the halo mass function (HMF), we can predict the number of clusters within a mass range for a fixed redshift. The HMF, however, depends on cosmological parameters such as the total matter density, Ωₘ, and the amplitude of matter density fluctuations, σ₈. Consequently, the observed number of galaxy clusters can provide constraints on these parameters. Since cluster masses are not directly observable, scaling relations that link observable properties to true cluster masses are crucial. In this context, understanding the creation of galaxy cluster catalogs—including selection and confirmation processes—and accurately constraining the parameters of the observable-mass relation are fundamental for the use of cluster number counts as cosmological probes.
My first study focuses on the analysis of the merging galaxy cluster SPT-CL J0307-6225. Through an analysis of its merging dynamics, I separate the substructures and find a likely mass ratio of ~1.3. On the other hand, the analysis of the galaxy population hints towards a previous merger in one of the substructures.
In my second study, I use galaxy cluster candidates, selected using the thermal Sunyaev-Zeldovich effect with data from the Planck (down to S/N= 3), and look for optical counterparts using photometric data from the Dark Energy Survey data release 3. The final catalog, PSZ-MCMF, contains over 800 confirmed clusters with a purity of 90\%.
In the third study I demonstrate how to use a X-ray selected and optically confirmed galaxy cluster sample (RASS-MCMF) to get cosmology constrains. Using a mock cluster sample with properties similar to the 99\% pure subset of RASS-MCMF (~5000 clusters), I forecast constraining powers of 0.026, 0.033, and 0.15 (1σ) for the parameters Ωₘ, σ₈, and w respectively.
Finally, in my fourth study, I expand the analysis from the third study by improving the modeling of the RASS-MCMF sample. These improvements include a new method for the abundance likelihood and the explicit inclusion of weak-lensing mass calibration. The results indicate that these improvements yield constraining power comparable to the latest results from SPT and eRASS1
Intraoperatives Neuromonitoring bei elektiven zerebralen Aneurysma-Operationen
Full text linkDas intraoperative Monitoring (IONM) gehört in vielen Bereichen der Neurochirurgie zu einer standardisierten neurophysiologischen intraoperativen Überwachung, um die neuronale Reizleitung während intraoperativer Eingriffe zu überprüfen. Vor allem bei komplexen neurochirurgischen Eingriffen an Rückenmark und Hirnstamm oder arteriovenösen Malformationen, ist das IONM fester Bestandteil der intraoperativen Überwachung. Ziel des IONM ist es, intraoperative Veränderungen der neuronalen Reizleitung infolge einer Gewebeschädigung, zum Beispiel durch Ischämie oder Hypoxie frühzeitig intraoperativ zu detektieren, um mögliche Gegenmaßnahmen zu ergreifen und so das Komplikationsrisiko zu minimieren, sowie postoperative Defizite zu verhindern. In dieser Arbeit wird die Zuverlässigkeit des IONM bei elektiven zerebralen Aneurysma-Operationen bewertet. Hierfür wird retrospektiv das Outcome der elektiven Aneurysma-Operationen mit IONM (2011-2014) mit dem Outcome des Patientenkollektivs vor Einführung des IONM (2007-2010) verglichen. Von den 138 zerebralen Aneurysma-Operationen mit IONM kam es in 18 (13,0%) Operationen zu einem neuen postoperativen neurologischen Defizit. In den 136 Operationen ohne IONM belief sich die Anzahl der postoperativen Defizite auf 17 (12,5%). Es zeigte sich, dass keine signifikante Reduktion intraoperativer Defizite durch die Implementierung von IONM bei elektiven Aneurysma-Operationen erzielt werden konnte. Weder Sensitivität (33,3%) noch positiv prädiktiver Wert (33,3%) erreichten akzeptable Werte. Die Spezifität lag bei 90,9%. Darüber hinaus war eine hohe Rate an falsch-negativen Befunden festzustellen (66,7%). Mehr als die Hälfte aller Defizite, die potenziell durch das IONM erkannt werden sollten, wurden nicht korrekt als solche detektiert. Darüber hinaus wurden unter den Fällen, in denen intraoperative Amplitudenminderungen auftraten, zusätzliche Einflussfaktoren wie temporäres Clipping, Ruptur oder Medikamente notiert. Ein falsch positives IONM-Ereignis wurde in zwölf (8,7%) Operationen registriert. Es wird angenommen, dass für diese Ereignisse Störfaktoren wie Narkosegas, Rupturen und temporäres Clipping verantwortlich sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die alleinige Verwendung von IONM nicht zu einem verbesserten Outcome in elektiven zerebralen Aneurysma-Operationen führen kann. Allerdings fand in der IONM-Gruppe eine häufigere Anwendung des temporären Clippings statt (IONM: 30, nIONM: 4). Es wird angenommen, dass das Monitoring den Operateuren mehr Sicherheit in ihrer Operationstechnik (z. B. temporäres Clipping) bot. Daher wird empfohlen, das IONM gezielt bei Hochrisiko-Patienten, spezifischen Aneurysma-Operationen und Interventionen einzusetzen, um Fehlmessungen zu vermeiden. Intraoperatives Monitoring mittels Indocyaningrün-Fluoreszenzangiographie (ICG-FA), Doppler-Sonographie und CT-Angiographie dienen dem Operateur darüber hinaus als sichere Ischämie-Diagnostik und können als sichere Anwendungsmethode auch in elektiven Aneurysma-Operationen hinzugezogen werden
HDAC9-related alterations to NF-κB-signalling in atherogenic inflammation
Full text linkBackground: Atherosclerosis – the leading cause of morbidity and premature mortality worldwide and a driver of healthcare costs – is a chronic inflammatory arterial disease underlying most primary clinical manifestations of CVD. GWAS have associated elevated HDAC9-expression with LAS and other atherosclerotic complications. It plays a prominent role in driving pro-atherogenic vascular inflammation, atheroprogression and plaque vulnerability. Previous research confirmed HDAC9-dependent p65-phosphorylation at ser468 and ser536, activating NF-κB-signalling. However, the exact link between HDAC9 and NF-κB – including potential for therapeutic targeting – requires further investigation.
Methods: To explore interactions between HDAC9 and NF-κB-signalling, along with their mechanistic role and downstream effects, wild type and Hdac9-depleted samples were generated from murine BMDMs, HEK293 cells and HUVECs. Depending on the experimental setup, HDAC9 was knocked down or co-transfected with an NF-κB signalling component. The samples were then employed for protein complex immunoprecipitation, kinase activity assays, TNFα-stimulation or ELISAs.
Results: Interactions were identified for HDAC9 with IKKa and IKKb in both HEK293 cells and HUVECs, establishing a crucial link between HDAC9 and pro-atherogenic inflammation. Further, IKKa and IKKb were demonstrated to undergo HDAC9- mediated deacetylation. Heightened HDAC9-mediated kinase activity was revealed for IKKb, enhancing p65-phosphorylation at ser536. HDAC9-depletion in HUVECs did not affect TNFα-stimulated p65-phosphorylation at ser276, diverging from findings for both ser468 and ser536. IKKβ-inhibition significantly reduced Ccl2- secretion in wild type BMDMs, whilst showing no effect in Hdac9-depleted samples, suggesting a non-additive mechanistic overlap between HDAC9 and IKKb.
Conclusion: HDAC9 interacts with NF-κB-signalling via IKKa and IKKb, resulting in their deacetylation. HDAC9 enhances IKKb kinase activity, stimulating pro- atherogenic downstream NF-κB-activity. Specific inhibition of HDAC9’s catalytic domain and the identified interactions may offer promising therapeutic strategies in atherosclerosis, heightening selectivity and reducing off-target effects.Hintergrund: Atherosklerose, die weltweit führende Ursache für Morbidität sowie vorzeitige Mortalität und ein Treiber von Gesundheitskosten, ist eine für viele primäre klinische Manifestationen von CVD ursächliche chronisch entzündliche Arterienerkrankung. GWAS assoziierten zuvor erhöhte HDAC9-Expression mit LAS und anderen atherosklerotischen Komplikationen. HDAC9 spielt eine zentrale Rolle bei pro-atherogener vaskulärer Entzündung, Atheroprogression und Plaquevulnerabilität. Frühere Ergebnisse bestätigen eine HDAC9-abhängige Phosphorylierung von p65 an ser468 und ser536, die eine Aktivierung der NF-κB- Signalübertragung zur Folge hat. Der genaue Zusammenhang zwischen HDAC9 und NF-κB, sowie das therapeutische Potenzial, bleiben aber weiterhin unklar.
Methoden: Zur Untersuchung von Interaktionen zwischen HDAC9 und NF-κB, sowie deren mechanistische Rolle und nachgeschaltete Folgeeffekte, wurden wildtyp und Hdac9-depletierte Proben aus murinen BMDMs, HEK293-Zellen und HUVECs erzeugt. HDAC9 wurde entweder herunterreguliert oder mit einer Signalkomponente von NF-κB ko-transfiziert. Proben wurden für Protein-Komplex-Immunpräzipitation, Kinase-Aktivitätsassays, TNFα-Stimulation oder ELISAs eingesetzt.
Ergebnisse: In HEK293-Zellen und HUVECs wurden Interaktionen für HDAC9 mit IKKα und IKKβ nachgewiesen, die den Zusammenhang zwischen HDAC9 und pro- atherogener Inflammation entscheidend herstellen. IKKα und IKKb wurden in Anwesenheit von HDAC9 deacetyliert. Eine erhöhte HDAC9-vermittelte Kinaseaktivität von IKKβ verstärkte die Phosphorylierung von p65 an ser536. Im Kontrast zu Ergebnissen für ser468 und ser536, beeinflusste die Depletion von HDAC9 in HUVECs die TNFα-stimulierte Phosphorylierung von p65 an ser276 nicht. Hinweisgebend für einen nicht-additiven mechanistischen Overlap von HDAC9 und IKKb, reduzierte die Inhibition von IKKb die Ccl2-Sekretion in wildtyp-BMDMs, während sie in Hdac9-depletierten Proben keine Wirkung zeigte.
Fazit: HDAC9 interagiert mit NF-κB via IKKα und IKKb, was zu deren Deacetylierung führt. HDAC9 erhöht die Kinaseaktivität von IKKb und stimuliert pro-atherogene NF-κB-Aktivität. Selektive katalytische Hemmung von HDAC9 und der identifizierten Interaktionen könnte neuartige therapeutische Strategien zur Eindämmung von Atherosklerose ermöglichen und Off-Target-Effekte reduzieren
The role of viscosity for mixing and transport processes in galaxy clusters and multiphase gas
Full text linkGalaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen und virialisierten Strukturen im Universum, und aufgrund ihrer extremen Bedingungen dienen sie als wertvolle Labore zur Erforschung kosmologischer und plasmaphysikalischer Prozesse. Die Verschmelzung von Galaxienhaufen oder die Aktivität des Active Galactic Nucleus (AGN) injiziert Energie räumlich großskalig, die in einem turbulenten Zerfall in kleinere Skalen übergeht und so Turbulenz im Intracluster Medium (ICM) erzeugt. Kürzlich gemachte Beobachtungen von Hitomi und XRISM zeigen jedoch unerwartet niedrige Turbulenzniveaus, was auf eine Unterdrückung der Turbulenz hindeutet. In dieser Arbeit untersuchen wir die Rolle der Viskosität bei der Regulierung von Mischungs- und Transportprozessen in Galaxienhaufen und in mehrphasigem astrophysikalischem Gas als einen zentralen Mechanismus zur Unterdrückung von Turbulenz. Ziel unserer Arbeit ist es, die regulierende Rolle der Viskosität durch den Einsatz fortschrittlicher numerischer Simulationen und theoretischer Analysen näher zu bestimmen.
Die Arbeit ist wie folgt gegliedert:
In Kapitel 1 führen wir die grundlegenden physikalischen Prozesse ein, die die Dynamik und Entwicklung von Galaxienhaufen bestimmen, und heben insbesondere die beobachteten Turbulenzniveaus hervor, die niedriger als erwartet ausfallen. Anschließend untersuchen wir in Kapitel 2 die Viskosität im Detail, wobei wir sowohl isotrope (Spitzer) als auch anisotrope (Braginskii) Beschreibungen betrachten und ihre jeweiligen Anwendungsbereiche erläutern.
Anschließend stellen wir in Kapitel 3 die verschiedenen Codes vor, die wir für unsere Simulationen verwenden: OpenGadget3, ein Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)-Code, der fortschrittliche Modelle für Gravitation, Hydrodynamik, Magneto-Hydrodynamik (MHD), und physikalische Viskosität enthält; Athena, ein eulerbasierter Gittercode, der auf die Erfassung detaillierter Fluiddynamik ausgelegt ist; und das Nachbearbeitungswerkzeug vortex-p, das zur Analyse von Geschwindigkeitsfeldern und zur Isolierung turbulenter Strukturen verwendet wird.
Nach der Einführung der Theorie und der numerischen Methoden untersuchen wir in Kapitel 4, wie physikalische Viskosität die Plasmadynamik verändert, indem sie scherkraftgetriebene Instabilitäten unterdrückt und Turbulenz in einem idealisierten Szenario dämpft. Mit dem SPH-Code OpenGadget3 analysieren wir die lineare Entwicklung der Kelvin-Helmholtz Instabilität (KHI) in verschiedenen Viskositätsszenarien. Die Simulationen bestätigen, dass Viskosität das Wachstum der KHI signifikant unterdrückt und einen kritischen Schwellenwert bei etwa 0.1% der klassischen Spitzer-Viskosität für unsere Anfangsbedingungen etabliert, ab dem die Instabilität vollständig gedämpft wird. Die numerische Viskosität, die der SPH-Implementierung innewohnt, erweist sich als deutlich geringer, was bestätigt, dass moderne SPH-Methoden diese physikalischen Prozesse zuverlässig abbilden.
In Kapitel 5 erweitern wir die Analyse aus Kapitel 4, indem wir mit dem Code Athena die Abhängigkeit der kritischen Viskosität von der relativen Dichte und der Mach-Zahl des Mediums untersuchen. Darüber hinaus analysieren wir die nichtlinearen Eigenschaften einer mehrphasigen Gasumgebung und untersuchen, wie sich Viskosität auf Turbulenz und die Effizienz radiativer Kühlung auswirkt. In einer mehrphasigen Umgebung existieren demnach zwei unterschiedliche Bereiche. Im Grenzfall schwacher Kühlung dominiert Viskosität und erzeugt laminare Strömungen, welche zu Abweichungen in nicht-viskosen Skalierungsrelationen führen, die Gesamthelligkeit jedoch weitgehend unverändert lassen. Im Grenzfall starker Kühlung dominieren Strahlungsverluste über viskose Effekte, sodass klassische Zusammenhänge zwischen Turbulenz und Kühlungn erhalten bleiben. Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf die Interpretation von Beobachtungen und die Verfeinerung von Subgrid-Physik in kosmologischen Simulationen.
Alle in idealisierten Szenarien gewonnenen Erkenntnisse werden in Kapitel 6 auf realistischere kosmologische Simulationen von Galaxienhaufen angewendet. Mit OpenGadget3 führen wir kosmologische Simulationen für drei massereiche Haufen durch (Mvir > 10^{15} M☉) und quantifizieren, wie sich unterschiedliche Viskositätsniveaus auf die Morphologie, Temperatur und Dichteschwankungen der Haufen auswirken. Viskosität unterdrückt insbesondere Instabilitäten auf kleinen Skalen, wodurch filamentäre und kleinräumige Strukturen durch reduzierte Mischung verstärkt werden. Sie erhöht auch die Virialtemperaturen um etwa 5–10%, während dichte Regionen kühl bleiben. Die Amplitude der Dichte- und Geschwindigkeitsfluktuationen steigt mit zunehmender Viskosität. Vergleiche mit Röntgenbeobachtungen zeigen jedoch konsistente Ergebnisse im Rahmen der Messungenaugigkeiten, unabhängig von der Viskosität. Dies erschwert die Eingrenzung der Viskosität durch Dichtefluktuationen. Das Verhältnis von Dichte- zu Geschwindigkeitsfluktuationen bleibt robust bei etwa Eins, was mit theoretischen Erwartungen übereinstimmt. Dies stellt die erste detaillierte kosmologische Untersuchung viskoser Effekte im ICM dar.
In Kapitel 7 erweitern wir die vorherigen Ergebnisse, indem wir analysieren, wie stark die Turbulenz in Galaxienhaufen in Abhängigkeit von der Viskosität unterdrückt wird. Es zeigt sich, dass die Viskosität mit zunehmender Entfernung vom Zentrum des Haufens effektiver wird. Gleichzeitig wird bei geringerer Turbulenz die Selbstverstärkung von Magnetfeldern beeinträchtigt, was in den äußeren Bereichen von Galaxienhaufen zu schwächeren Magnetfeldern führt.
Die in den vorherigen Kapiteln vorgestellten Analysen wurden mit einer isotropen Spitzer-Viskosität durchgeführt. In Kapitel 8 präsentieren wir jedoch die ersten Ergebnisse unserer neuen Implementierung einer anisotropen Braginskii-Viskosität in OpenGadget3. Die ersten Tests zeigen vielversprechende Resultate und erfassen realistischere, richtungsabhängige Transportprozesse in magnetisierten Plasmen.
Abschließend stellen wir in Kapitel 9 unsere Schlussfolgerungen vor und in Kapitel 10 die zukünftigen Schritte im Anschluss an diese Arbeit. Diese beinhalten die Erweiterung kosmologischer Simulationen von Galaxienhaufen durch ein realistischeres anisotropes Viskositätsmodell sowie die Untersuchung isolierter Systeme, in denen viskose Effekte eine bedeutende Rolle spielen könnten, etwa bei „Jellyfish“-Galaxien.
Insgesamt untersucht diese Arbeit die Rolle der Viskosität über verschiedene Skalen hinweg – von fundamentalen Fluidinstabilitäten bis hin zu realistischen Galaxienhaufenumgebungen. Durch die Verknüpfung detaillierter mikrophysikalischer Erkenntnisse mit beobachtbaren Größen verbessert diese Arbeit unser Verständnis der Plasmadynamik in Galaxienhaufen erheblich und liefert wertvolle Beiträge zur Weiterentwicklung theoretischer Modelle und zur Interpretation zukünftiger hochauflösender astrophysikalischer Beobachtungen.Galaxy clusters are the largest gravitationally bound and virialized structures in the Universe, and due to their extreme conditions, they serve as essential laboratories for exploring cosmological processes and plasma physics. Processes like mergers or Active Galactic Nucleus (AGN) activity, inject energy at large scales, which decays towards smaller scales in a turbulent cascade, generating turbulence within the Intracluster Medium (ICM). However, recent observational results by Hitomi and XRISM find unexpectedly low turbulence levels, suggesting that there is a suppression of turbulence. In this thesis, we investigate the role of viscosity in regulating mixing and transport processes within galaxy clusters and multiphase astrophysical gas, as a key mechanism for suppressing turbulence. Our work aims to constrain the magnitude and influence of viscosity by employing advanced numerical simulations and theoretical analysis.
The work is structured as follows:
In Chapter 1, we introduce the fundamental physical processes governing the dynamics and evolution of galaxy clusters, emphasizing the lower-than-expected observational turbulence levels. Subsequently, in Chapter 2 we explore viscosity in detail, considering both isotropic (Spitzer) and anisotropic (Braginskii) descriptions, highlighting their applicable regimes.
Once we have presented the physics describing the dynamical evolution of galaxy clusters, in Chapter 3 we introduce the different codes we use to run our simulations: OpenGadget3, a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) code that incorporates sophisticated models for gravity, hydrodynamics, Magnetohydrodynamics (MHD), and physical viscosity; Athena, an Eulerian mesh-based code designed to capture detailed fluid dynamics; and the postprocessing tool vortex-p, used to analyze velocity fields and isolate turbulent structures.
After having introduced the theory and numerics used in this work, in Chapter 4 we explore how physical viscosity modifies the dynamics of plasma by suppressing shear-driven instabilities and damping turbulence in an idealized setup. Using the SPH code OpenGadget3, we analyze the linear evolution of the Kelvin-Helmholtz instability (KHI) under different viscosity scenarios. The simulations confirm that viscosity significantly suppresses the growth of KHI, establishing a critical threshold at approximately 0.1% of the classical Spitzer viscosity for our initial conditions (ICs), beyond which the instability is fully damped. The numerical viscosity intrinsic to the SPH implementation is found to be significantly lower, confirming that modern SPH methods reliably capture these physical processes.
In Chapter 5, we expand the analysis made in Chapter 4 by analyzing the dependence of the critical viscosity on the overdensity and Mach number using the code Athena. We additionally explore the non-linear regime of a multiphase gas environment, and investigate how viscosity affects turbulence and radiative cooling efficiency. In a multiphase environment, two distinct regimes emerge: a weak cooling regime, where viscosity dominates and produces laminar flows disrupting inviscid scaling relations, yet leaving total luminosity relatively unchanged; and a strong cooling regime, where radiative losses overpower viscous effects, thus preserving classical turbulence-cooling relationships. These findings have critical implications for interpreting observations and refining subgrid physics in cosmological simulations.
All these results found in idealized setups are applied to more realistic cosmological simulations of galaxy clusters in Chapter 6. Using OpenGadget3, we run cosmological simulations for three massive clusters (Mvir > 10^{15} M☉), and we quantify how varying viscosity levels impact cluster morphology, temperature, and density fluctuations. Viscosity notably suppresses small-scale instabilities, enhancing filamentary and small-scale structures due to reduced mixing. It also increases virial temperatures by approximately 5%-10% while keeping dense regions cool. The amplitude of density and velocity fluctuations increases with viscosity, yet comparison with X-ray observations reveals consistent results regardless of viscosity within error margins of measurements. This complicates direct observational constraints of viscosity from density fluctuations. The ratio of density to velocity fluctuations remains robustly around unity, aligning with theoretical expectations. This represents the first detailed cosmological exploration of viscous effects in the ICM.
In Chapter 7 we expand the previous results by analyzing the level of turbulence in galaxy clusters depending on the amount of viscosity, finding that viscosity becomes more effective further from the cluster center. This reduction of turbulence leads to a suppression of magnetic field amplification, producing weaker magnetic fields in the outskirts of galaxy clusters, the more viscous the ICM is.
All the analysis presented in the previous chapters was done using an isotropic Spitzer viscosity. However, in Chapter 8 we present the first results of our new implementation of an anisotropic Braginskii viscosity in OpenGadget3. The preliminary tests indicate promising results, capturing more realistic, direction-dependent transport processes in magnetized plasmas.
Finally, in Chapter 9, we present our final conclusions, and in Chapter 10 the future steps following this thesis. These future steps include extending cosmological simulations of galaxy clusters to incorporate a more realistic anisotropic viscosity model, as well as investigating isolated systems where viscous effects may be significant, such as jellyfish galaxies.
Overall, this thesis explores the role of viscosity across different scales, from fundamental fluid instabilities to realistic galaxy cluster environments. By linking detailed microphysical insights to observational constraints, this work significantly enhances our understanding of plasma dynamics in galaxy clusters, informing both theoretical models and observational interpretations. Ultimately, these results contribute critically to refining the physical models underlying cosmological simulations and interpreting future high-resolution astrophysical observations
High-precision weak gravitational lensing predictions with the MillenniumTNG simulations
Full text linkDer Gravitationslinseneffekt, das heißt die Ablenkung des Lichts durch Masseninhomogenitäten entlang der Sichtlinie, hat sich zu einem wichtigen Werkzeug für die Unterschung der Eigenschaften unseres Universums entwickelt. Im Bereich des so genannten “schachen Gravitationslinseneffekts” führt dieses Phänomen zu leichten, kohärenten Verzerrungen der Bilder entfernter Galaxien und bietet eine leistungsstarke Methode zur Untersuchung der zugrunde liegenden gesamten Materieverteilung, unabhängig von ihrer leuchtenden Komponente.
Himmelsdurchmusterungen des schwachen Gravitationslinseneffekts, basierend etwa auf der Hyper Suprime-Cam, dem Dark Energy Survey und dem Kilo-Degree Survey, haben im letzten Jahrzehnt bereits wichtige Hinweise auf den Wert der kosmologischen Parameter, sowie Einblicke in die Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie geliefert. Die kosmologischen Himmelsdurchmusterungen der nächsten Generation, wie Euclid, das Large Synoptic Survey Telescope oder Roman werden voraussichtlich hochpräzise Daten mit einer noch nie dagewesenen Himmelsabdeckung, Winkelauflösung und Rotverschiebungstiefe liefern. Daher besteht ein Bedarf an ebenso präzisen numerischen Vorhersagen.
Diese Arbeit stellt eine Reihe von umfassenden numerischen Experimenten vor, die auf dem MillenniumTNG (MTNG)-Projekt basieren, einem hoch modernen Satz von kosmologischen Simulationen, die das große Volumen der Millennium-Simulation mit dem realistischen, physikalisch motivierten Galaxienentst hungsmodell von IllustrisTNG kombinieren. Durch die Nutzung des reichhaltigen Datensatzes von MillenniumTNG zielt diese Arbeit darauf ab, die Auswirkungen einiger der wichtigsten physikalischen und numerischen Systematiken, die im Zusammenhang mit dem schwachen Gravitationslinseneffekt wichtig sind, zu quantifizieren und zu charakterisieren.
Im ersten Teil dieser Arbeit untersuche ich, wie sich die baryonische Physik und massenbehaftete Neutrinos auf die Beobachtungsdaten der schwachen Gravitationslinsen auswirken, indem ich Simulationen mit vollständiger Physik mit ihren Gegenstücken, die nur dunkle Materie berechnen, vergleiche. Außerdem evaluiere ich eine Varianzuntedrückungstechnik, die die Rechenkosten ohne Präzisionsverlust reduziert. Meine Ergebnisse bestätigen, dass sowohl Baryonen als auch Neutrinos einen signifikanten Einfluss auf die Gravitationslinsen-Statistiken haben, was die Notwendigkeit einer detaillierten physikalischen Modellierung in zukünftigen Bemühungen um Präzisionskosmologie unterstreicht. Diese Ergebnisse stimmen gut mit anderen führenden Simulationen überein, was die Robustheit der derzeitigen Modellierungsansätze unterstreicht.
Im dritten und letzten Teil der Arbeit befasse ich mich mit der intrinsischen Ausrichtung (IA) von Galaxien, einer wichtigen astrophysikalischen Verunreinigung von Messungen des schwachen Gravitationslinseneffekts. Unter Verwendung des nahtlosen Lichtkegels der hydrodynamischen Simulation von MTNG konstruiere ich einen realistischen Galaxienkatalog und berechne sowohl die intrinsische als auch die linseninduzierte Scherung für alle Galaxien. Dies ermöglicht eine detaillierte, nicht-lineare Bewertung der Auswirkungen von IA auf verschiedene Scherungsmessgrößen. Insbesondere untersuche ich, wie sich IA auf die gängigen Linsen-Statistiken auswirken kann, wobei ich mich auf die Abhängigkeit dieser Auswirkungen von der Rotverschiebung und der stellaren Masse der Galaxien konzentriere. Meine Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung einer präzisen IA-Modellierung für künftige Himmelsdurchmusterungen mit schwachen Gravitationslinsen und zeigen, dass dieser simulationsbasierte Ansatz die bisher genaueste und robusteste Modellierung von IA bietet.
Insgesamt trägt diese Arbeit zur Vorbereitung auf kosmologische Himmelsdurchmusterungen der nächsten Generation bei, indem sie hochpräzise simulationsbasierte Vorhersagen liefert, die kritische physikalische und numerische Systematiken berücksichtigen.Gravitational lensing, i.e. the deflection of light caused by mass inhomogeneities along the line of sight, has emerged as a key probe to investigate the properties of our Universe. In the weak regime, known as weak lensing (WL), this phenomenon leads to subtle coherent distortions in the shapes of distant galaxies, offering a powerful method to investigate the underlying total matter distribution, independent of its luminous component.
WL surveys of the previous decade like the Hyper Suprime-Cam, the Dark Energy Survey and the Kilo-Degree Survey have already yielded important constraints on the cosmological parameters as well as insights into the nature of dark matter and dark energy. Next generation cosmological surveys such as Euclid, the Large Synoptic Survey Telescope, and Roman, are expected to deliver high-precision lensing data featuring unprecedented sky coverage, angular resolution, and redshift depths. Consequently, the demand for equally precise numerical predictions has become essential.
This thesis presents a comprehensive set of numerical experiments based on the MillenniumTNG (MTNG) project, a state-of-the-art suite of cosmological simulations that combines the large volume of the Millennium Simulation with the high-fidelity physicallymotivated galaxy formation model of IllustrisTNG. By leveraging the rich dataset produced by MillenniumTNG, this work aims to quantify and characterize the impact of some of the most relevant physical and numerical systematics inherent in popular weak lensing statistics.
In the first part of this thesis, I investigate how baryonic physics and massive neutrinos affect weak lensing observables by comparing full-physics simulations with their darkmatter- only counterparts. I also evaluate a variance suppression technique that reduces costs without a loss in precision. My findings confirm that both baryons and neutrinos have a significant impact on lensing statistics, underscoring the need for detailed physical modeling in upcoming precision cosmology efforts. These results align well with other leading simulations, supporting the robustness of current modeling approaches.
In the second part, I test the robustness of the Born approximation, a common approach used in numerical WL. To do so, I develop DORIAN, a full-sky ray-tracing code which features nonuniform fast Fourier transform, a novel interpolation technique that is both faster and more accurate than traditional approaches. By applying this code to the MillenniumTNG simulations, I investigate non-Gaussian effects that arise beyond the Born approximation. The resulting differences in lensing statistics are examined in detail,providing guidance for when simplified modeling may or may not be adequate for precision cosmology.
In the third and final part of the thesis, I address the intrinsic alignment (IA) of galaxies, a key astrophysical contaminant in WL measurements. Using the seamless lightcone output from the MTNG hydrodynamical simulation, I construct a realistic mock galaxy catalogue and calculate both intrinsic and lensing-induced shear for all galaxies. This allows for a detailed, non-linear assessment of IA impacts on various shear observables. In particular, I study how IA can affect popular lensing statistics, focusing on the dependence of this impact on redshift and galaxy stellar mass. These insights highlight the importance of precise IA modeling for future weak lensing surveys, and demonstrate that this simulationbased approach offers the most accurate and robust modeling of IA to date.
Overall, this thesis contributes to the preparation for next-generation cosmological surveys by providing high-precision simulation-based predictions that account for critical physical and numerical systematics
The function of the Notch signalling pathway in pattern formation and head regeneration in Hydra
Full text linkThe Notch signalling pathway is a highly conserved cell-to-cell communication mechanism in animals. Notch ligands, such as Delta, can regulate the activity of Notch receptors by transactivation in neighbouring cells or cis inhibition within the same cell. This dual regulatory mechanism makes Notch signalling essential for establishing boundaries. In Hydra, previous studies using the presenilin inhibitor DAPT have shown that Notch signalling is crucial for defining the parent-bud boundary and for head regeneration following apical decapitation.
In the first part of this thesis (Pan, Mercker et al. 2024), Notch transgenic Hydra strains were established to further investigate the function of the Notch signalling pathway. These included NICD-overexpressing and Notch knockdown transgenic Hydra strains. NICD-overexpressing transgenic Hydra exhibited downregulation of predicted Notch target genes and displayed “Y-shaped” polyps, a phenotype also observed in DAPT-treated Hydra. This suggests that NICD-overexpression exerts a dominant-negative effect. Additional phenotypes observed in NICD-overexpressing Hydra included “ectopic tentacles”, “two-headed”, and “multiple heads”. Notch-knockdown Hydra exhibited similar phenotypes, except for the “multiple heads” form. Instead, an additional “two feet” phenotype was observed. Furthermore, both NICD-overexpressing and Notch-knockdown Hydra displayed abnormal head regeneration phenotypes following apical or middle gastric decapitation. These findings confirm that the Notch signalling pathway plays a critical role in body-axis patterning and head regeneration in Hydra.
In the second part of this thesis (Moneer, Siebert et al. 2021), a transcriptome analysis of DAPT-treated Hydra was conducted, identifying 666 Notch-responsive genes with defined expression patterns in Hydra. Among these, genes associated with nematogenesis and head patterning were predominantly downregulated. In addition to HyHes, Sp5 and HyAlx were identified as the most promising direct targets of Notch signalling. Furthermore, an upregulated transcriptional factor, HyKayak, was identified, which shows expression in ectodermal head cells and battery cells. This led to the hypothesis that HyKayak might serve as a Notch-dependent regulator of HyWnt3, potentially acting as an inhibitor of HyWnt3.
The third part (Steichele, Sauermann et al. 2025) describes that Hydra head regeneration involves two distinct processes: hypostome regeneration and tentacle patterning. The Notch signalling pathway was found to play a crucial role in regulating the regenerating sequence of these processes. Following apical decapitation, Notch signalling appeared to suppress tentacle fate, probably by inhibiting BMP5/8b expression, thereby promoting hypostome fate through the activation of HyWnt3. Further experiments confirmed that the loss of HyKayak function, either through shRNA-knockdown or pharmacological treatment, resulted in upregulated expression of HyWnt3, suggesting that HyKayak can repress the expression of HyWnt3
