22455 research outputs found
Sort by
Cool and cold gas within and surrounding galaxies
Get PDFGalaxies are systems evolving through a combination of internal processes and their connection to their immediate surroundings. Mechanisms, such as Active Galactic Nuclei (AGN) feedback, stellar feedback, recycling of gas, and accretion from the cosmic web lead to a redistribution of baryons within and surrounding galaxies. These processes interact in the multi-phase Circumgalactic Medium (CGM), defined as the gas surrounding galaxies outside the disk or interstellar medium (ISM), but within the virial radius of galaxies. Thus, the CGM allows for the tracing of gas flows, which are particularly significant in the context of galaxy evolution and star formation. The removal of gas by violent feedback processes could lead to the quenching of star formation, while accretion is critical to sustaining star formation. The accreted gas mixes with the matter within galaxies and can subsequently cool down and then collapse into molecular clouds, leading to the formation of stars. Thus, the CGM, the cold gas phase, and its precursor, the cool gas phase, play key roles in how galaxies evolve across cosmic time. The goal of this thesis is to explore the cool and cold gas phases, encompassing molecular, neutral atomic, and low-ionized atomic gas within and surrounding galaxies across cosmic time.
Exploiting multi-phase observations of the MUSE-ALMA Haloes survey we study the cold molecular gas of a HI-absorption-selected galaxy. Additionally, we trace gas flows in the CGM by kinematically analyzing the low-ionized and molecular gas of a galaxy at z ~ 0.4 in emission and absorption. We find that the ionized and molecular gas phases are strongly coupled within the rotating disk of the galaxy and that a two-component absorption feature at 52 kpc distance from the galaxy is consistent with being inflowing and co-rotating gas. Further, a comprehensive literature compilation of HI-absorption and emission-selected galaxies at z < 1.1 reveals that HI-absorption selection of galaxies possibly traces objects that have large molecular gas reservoirs given their star formation rate. This leads to depletion times that can be over an order of magnitude larger than the median depletion times in samples of emission-selected galaxies.
Observations of the cold gas phase across cosmic time indicate a marked increase in the molecular gas mass density towards z ~ 2-3. This transformation implies an accompanied change in the global distribution of molecular hydrogen H2 column densities, which is currently not yet explored. To tackle this question, we use an approach that bridges observations (PHANGS-ALMA, SDSS) and simulations (Illustris Project, GRIFFIN Project) to explore this evolution of molecular gas column densities. This study reveals that the H2 column density contributing most to the overall molecular gas mass evolves with redshift. We find that more molecular gas is found in denser regions at z=3 compared to z=0. This finding is consistent with a higher star formation rate density at z=3, as more molecular gas in denser states is likely contributing to a higher global star formation rate. Further, comparisons of the distribution of HI and H2 column densities lead to the conclusion that HI is an important contributor to the overall cold gas mass found in the ISM of galaxies at both redshifts.
Going forward, large-scale spectroscopic absorption-line surveys will offer new prospects for mapping the CGM surrounding galaxies. Such large surveys, as the upcoming VISTA/4MOST High-resolution Quasar survey (4Hi-Q), will require novel analysis tools to efficiently detect and localize these absorption lines in spectra. For this purpose, we develop such a tool based on Convolutional Neural Networks (CNN). In the absence of data, we produce synthetic normalized 4MOST high-resolution fibre quasar spectra and inject MgII (λ2796, λ2803) absorbers based on the TNG50 simulation of the Illustris Project within them. Using these synthetic spectra, we train a CNN to classify whether an MgII absorber is present within spectra and to localize them in wavelength space. The CNN has high classification (98 per cent) and localization (mean absolute error of 6.9 Å) accuracy for a sample with evenly distributed absorber and noise properties. Additionally, this method is orders of magnitude faster than traditional ones. This proof-of-concept study demonstrates that Machine Learning is a feasible tool for future large-scale surveys.
In summary, with these three distinct projects, we explore the inner workings of the cosmic baryon cycle and the CGM from the scale of individual galaxies to large statistical samples using an approach that bridges observations and simulations. Additionally, we explore the feasibility of novel methods for the analysis of large-scale surveys to pave the way for the era of big data astronomy.Galaxien sind Systeme, die sich durch eine Kombination aus internen Prozessen und ihrer Verbindung zu ihrer unmittelbaren Umgebung entwickeln. Mechanismen wie die Rückkopplung aktiver galaktischer Kerne (AGN), stellare Rückkopplung, wiederverwertung von Gas und Akkretion aus dem kosmischen Netz führen zu einer Umverteilung von Baryonen innerhalb von Galaxien und in ihrer Umgebung. Diese Prozesse interagieren im mehrphasigen zirkumgalaktischen Medium (CGM), definiert als das Gas, das Galaxien außerhalb der Scheibe oder des interstellaren Mediums (ISM), aber innerhalb des Virialradius der Galaxien umgibt. Das CGM ermöglicht somit die Verfolgung von Gasströmen, die im Zusammenhang mit der Entwicklung von Galaxien und der Sternentstehung von besonderer Bedeutung sind. Die Entfernung von Gas durch gewaltsame Rückkopplungsprozesse könnte zum Erlöschen der Sternentstehung in Galaxien führen, während die Akkretion für die Aufrechterhaltung der Sternentstehung entscheidend ist. Das akkretierte Gas vermischt sich mit der Materie innerhalb der Galaxien und kann anschließend abkühlen und zu Molekülwolken kollabieren, was zur Sternentstehung führt. Somit spielen das CGM, die kalte Gasphase, und ihr Vorläufer, die kühle Gasphase, eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit. Ziel dieser Arbeit ist es, die kalte und kühle Gasphase, die das molekulare, neutrale atomare und schwach ionisierte atomare Gas umfasst, in und rundum Galaxien über die kosmische Zeit hinweg zu studieren.
Mithilfe von mehrphasigen Beobachtungen der MUSE-ALMA Haloes Survey untersuchen wir das kalte molekulare Gas einer anhand von HI-Absorption selektierten Galaxie bei z ~ 0.4. Zusätzlich verfolgen wir Gasflüsse im CGM durch kinematische Analysen des niedrig ionisierten und molekularen Gases dieser Galaxie, welches in Emission und Absorption beobachtet wurde. Wir stellen fest, dass die Phasen des ionisierten und des molekularen Gases innerhalb der rotierenden Scheibe der Galaxie stark gekoppelt sind, und dass ein zwei komponentiges Absorptionssystem in 52 kpc Entfernung von der Galaxie mit einströmendem und mitrotierendem Gas vereinbar ist. Darüber hinaus zeigt eine umfassende Literaturzusammenstellung von Galaxien (z < 1.1) die einerseits anhand von HI-Absorption und andererseits anhand von Emission selektiert wurden, dass die Auswahl von Galaxien anhand HI-Absorption möglicherweise Objekte aufspürt, die über größere molekulare Gasreservoirs verfügen als andere Galaxien mit vergleichbaren Sternentstehungsraten. Dies führt zu Erschöpfungszeiten des molekularen Gases, die mehr als eine Größenordnung größer sein können als die mittleren Erschöpfungszeiten in Stichproben die anhand von Emission selektiert wurden.
Beobachtungen der kalten Gasphase über die kosmische Zeit hinweg deuten auf eine deutliche Zunahme der Massendichte des molekularen Gases in Richtung z ~2-3 hin. Diese Entwicklung impliziert eine damit einhergehende Änderung der globalen Verteilung der Säulendichte von molekularem Wasserstoff (H2) die derzeit noch nicht erforscht ist. Um dieser Frage nachzugehen, verwenden wir einen Ansatz, der Beobachtungen (PHANGS-ALMA, SDSS) und Simulationen (Illustris-Project, GRIFFIN-Project) miteinander verbindet, um die Entwicklung der Säulendichten von molekularem Gas zu untersuchen. Diese Studie zeigt, dass die H2-Säulendichte, die am meisten zur Gesamtmasse des molekularen Gases beiträgt, sich mit der Rotverschiebung entwickelt. Bei z=3 ist mehr molekulares Gas in dichteren Regionen zu finden als bei z=0. Dies steht im Einklang mit einer höheren Dichte der Sternentstehungsrate bei z=3, da mehr molekulares Gas in dichteren Zuständen wahrscheinlich zu einer höheren globalen Sternentstehungsrate beiträgt. Vergleiche der Verteilung der HI und H2-Säulendichten deuten außerdem an, dass HI einen großen Anteil zur Gesamtmasse des kalten Gases im ISM von Galaxien beiträgt.
Künftig werden groß angelegte spektroskopische Absorptionslinien-Durchmusterungen neue Perspektiven für die Kartierung des CGM bieten. Solche großen Durchmusterungen, wie die bevorstehende VISTA/4MOST High-resolution Quasar Survey (4Hi-Q), erfordern neuartige Analysewerkzeuge, um diese Absorptionslinien in den Spektren effizient zu erkennen und zu lokalisieren. Zu diesem Zweck entwickeln wir ein solches Werkzeug, das auf Convolutional Neural Networks (CNN) basiert. In Ermangelung von Daten erstellen wir auf dem 4MOST Instrument basierende synthetische normalisierte Quasarspektren und injizieren MgII (λ2796, λ2803) Absorber, die auf der TNG50-Simulation des Illustris-Projects basieren, in diese Spektren. Anhand dieser synthetischen Spektren trainieren wir ein CNN, um zu klassifizieren, ob ein MgII-Absorber in den Spektren vorhanden ist und um deren Wellenlängenposition zu bestimmen. Das CNN hat eine hohe Klassifizierungs- (98 Prozent) und Lokalisierungsgenauigkeit (mittlerer absoluter Fehler von 6.9 Å) für eine Stichprobe mit gleichmäßig verteilten Absorber- und Rauscheigenschaften. Außerdem ist diese Methode um Größenordnungen schneller als herkömmliche Methoden. Diese Machbarkeitsstudie zeigt, dass Machine Learning ein praktikables Werkzeug für zukünftige groß angelegte Durchmusterungen ist.
In Zusammenfassung erforschen wir mit diesen drei verschiedenen Projekten das Innenleben des kosmischen Baryonenkreislaufs und des CGM auf einer Skala einzelner Galaxien bis hin zu großen statistischen Stichproben und verfolgen dabei einen Ansatz, der Beobachtungen und Simulationen miteinander verbindet. Außerdem, erproben wir die Verwendbarkeit von Machine Learning für die Analyse groß angelegter Durchmusterungen, um den Weg für die Ära der Big-Data-Astronomie zu ebnen
Morphometric reorganization induced by working memory training: perspective from vertex and network levels
Get PDFDer sich beschleunigende globale Alterungsprozess und die Tatsache, dass sich die kog-nitiven Fähigkeiten mit dem Alter verschlechtern, was sich erheblich auf die Lebensquali-tät älterer Erwachsener auswirkt, insbesondere bei altersbedingten Störungen (z. B. kogni-tiver Beeinträchtigung, Demenz), weisen auf einen dringenden Bedarf an Ansätzen zum Schutz und zur Verbesserung der kognitiven Fähigkeiten sowie an Untersuchungen der neuronalen Substrate altersbedingter Veränderungen und der Neuroplastizität hin. Da man davon ausgeht, dass das Arbeitsgedächtnis (WM) die grundlegende Ursache für altersbe-dingte kognitive Beeinträchtigungen bei einer Vielzahl von kognitiven Fähigkeiten dar-stellt, ist das Arbeitsgedächtnistraining (WMT) zu einem aktuellen Thema und einem be-liebten Ansatz geworden. Frühere Studien haben gezeigt, dass das Arbeitsgedächtnistrai-ning (WMT) die kognitive Leistung verbessert. Die spezifischen Auswirkungen sowie die zugrunde liegenden neurobiologischen Mechanismen sind jedoch nach wie vor um-stritten.
Ziel dieser Arbeit ist es, die durch das WMT induzierte neuronale strukturelle Plastizität auf mehreren Ebenen sowie die Verhaltenseffekte des WMT zu untersuchen. In der ers-ten Studie untersuchten wir die topographischen Veränderungen der Morphologie der grauen Substanz durch WMT, indem wir vier strukturelle Metriken (d.h. die kortikale Dicke, das kortikale Volumen, die kortikale Oberfläche und den lokalen Gyrifikationsin-dex, LGI) sowie die subkortikalen Volumina explorierten. Konkret wurden 59 gesunde Probanden mittleren Alters nach dem Zufallsprinzip entweder einem adaptiven WMT oder einer nicht-adaptiven Intervention zugewiesen. Alle Teilnehmer unterzogen sich vor und nach der 8-wöchigen WMT-Phase einer Neurobildgebung sowie kognitiven Tests. Vor und nach dem WMT wurden vier kortikale Metriken auf Scheitelpunktniveau und sieben subkortikale Volumina sowie die globale mittlere kortikale Dicke berechnet. Das wich-tigste Ergebnis war, dass die WMT-Gruppe im Vergleich zur aktiven Kontrollgruppe eine größere Zunahme der kortikalen Faltung in den bilateralen parietalen Regionen zeigte. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass strukturelle Veränderungen durch WMT in WM-bezogenen Regionen, insbesondere in parietalen Regionen, die Verarbeitung einer höhe-ren WM-Belastung erleichtern können. Darüber hinaus könnte die kortikale Faltung das relevanteste und plastischste Merkmal von WM und Lernen sein und WMT-Effekte stär-ker widerspiegeln als andere Metriken.
Basierend auf den Ergebnissen der ersten Studie haben wir darüber hinaus untersucht, ob die trainingsinduzierten Effekte des WMT in der kortikalen Faltung auf Vertex-Ebene von topologischen Veränderungen begleitet werden. Zu diesem Zweck untersuchten wir in Studie zwei die durch WMT verursachte Plastizität auf Netzwerkebene mit Hilfe eines strukturellen Kovarianzansatzes (SC), der auf denselben Stichproben basiert. Es wurden gyrifikationsbasierte SC-Matrizen für jede Gruppe vor und nach dem Training sowie lon-gitudinale gyrifikationsbasierte SC-Matrizen erstellt. Innerhalb jeder Gruppe ergab die LGI-basierte SC-Analyse keine Hinweise auf WMT-induzierte Veränderungen der kor-tiko-kortikalen Verbindungen, weder in der WMT- noch in der aktiven Kontrollgruppe. Die Ergebnisse der longitudinalen SC-Analyse (unkorrigiert p < 0,005) zeigten, dass die trainingsinduzierten Veränderungen der kortikalen Faltungsintensität signifikante Unter-schiede zwischen Paaren von parietalen Regionen sowie Paaren von frontalen Regionen aufwiesen.
Insgesamt deuten die kombinierten Ergebnisse dieser beiden Studien darauf hin, dass ers-tens WMT neuronale strukturelle Plastizität hervorrufen kann; zweitens die kortikale Fal-tung das relevanteste und plastischste Merkmal von WM und Lernen sein könnte, das die Auswirkungen von WMT besser widerspiegelt als andere Indikatoren auf Vertex-Ebene; und drittens die trainingsinduzierten lokalisierten Veränderungen der kortikalen Faltung von einem ähnlichen Muster vergleichbarer struktureller Veränderungen zwischen ROIs innerhalb der Regionen begleitet wurden. In Zukunft sind weitere Forschungen erforder-lich, um diese Ergebnisse zu wiederholen und zu validieren sowie um trainingsinduzierte topologische und topografische Veränderungen anhand einer breiteren Palette von Metri-ken und Eigenschaften zu untersuchen.The accelerating global aging process and the fact that cognitive abilities deteriorate with age, which has a significant impact on the quality of life of older adults, particularly those with age-related disorders (e.g., cognitive impairment, dementia), all point to an urgent need for approaches to protect and enhance cognitive abilities, as well as studies of the neural substrates of aging-related changes and neuroplasticity. Since working memory (WM) has been assumed to be the fundamental source of age-related cognitive impair-ments in a variety of cognitive abilities, working memory training (WMT) has become a hot topic as well as a popular approach. Previous studies have established that working memory training (WMT) improves cognitive performance. However, the specific effects, as well as the underlying neurobiological mechanisms, remain a matter of controversy.
The purpose of this thesis is to investigate WMT-induced neural structural plasticity at multiple levels together with the behavioral effects of WMT. In study one, we investigated the topographic changes of grey matter morphology due to WMT by combining four structural metrics (i.e., cortical thickness (CT), cortical volume (CV), cortical surface area (CSA), and local gyrification index (LGI)) as well as subcortical volumes. Specifically, 59 healthy volunteers between the ages of 50 and 65 were randomly assigned to either an adaptive or a non-adaptive intervention. All participants underwent neuroimaging as well as cognitive testing before and after the 8-week intervention. Four cortical metrics at ver-tex level and seven subcortical volumes, as well as global mean cortical thickness, were calculated before and after the intervention. The most important finding was that the adap-tive WMT group showed greater increases in cortical folding in bilateral parietal regions in comparison to the active control group who performed the non-adaptive intervention. The results indicate that structural changes due to adaptive WMT in WM related regions, particularly parietal regions, may facilitate the processing of a higher WM load. In addi-tion, the cortical folding might be the most relevant and plastic feature of WM and learn-ing, reflecting WMT effects more than other metrics.
Based on the findings of study one, we further asked whether the training-induced effects of WMT in cortical folding at vertex-level are accompanied by topological changes. To this end, study two investigated network-level plasticity due to WMT by using the struc-tural covariance (SC) approach based on the same samples. Gyrification based SC matri-ces for each group before and after training, together with longitudinal gyrification SC matrices, were constructed. Within each group, the LGI-based SC analysis revealed no evidence of WMT-induced changes in cortical-cortical connections, either in the WMT or the active control groups. The results of the longitudinal SC analysis (uncorrected p < 0.005) revealed that the training induced changes of cortical folding intensity showed sig-nificant difference between pairs of parietal regions as well as pairs of frontal regions.
Overall, the combined findings of these two studies indicate that: firstly, WMT can pro-duce neural structural plasticity; secondly, cortical folding might be the most relevant and plastic feature of WM and learning, better reflecting the effects of WMT than other vertex-level indicators; and thirdly, the training induced localized changes in cortical folding were accompanied by the pattern of similar structural changes between ROIs within the regions. In the future, more research is required to replicate and validate these findings, as well as to investigate training-induced topological and topographic changes using a broader set of metrics and properties
Disrupted biomineralization in zebra mussels after exposure to bisphenol-A: Potential implications for molar-incisor hypomineralization and Evaluation of isobornyl acrylate content in medical devices for diabetes treatment
Get PDFRegioselective magnesiations of aromatics and heterocycles using sBu2Mg and bis-magnesium amides in hydrocarbon solvents
Get PDFEmergent quasi-bosonicity in interacting fermi gases
Get PDFThis thesis concerns the correlation structure of interacting Fermi gases on a torus in the mean-field regime. A bosonization method in the spirit of Sawada is developed to analyze the system, and is applied to obtain an upper bound for the correlation energy of the system for a wide class of repulsive interaction potentials, including the Coulomb potential.
This upper bound includes both a bosonic contribution, as found in the bosonic model of Sawada, and an exchange contribution, as was found by Gell-Mann and Brueckner but which was missed by Sawada's model.
An extension to weakly attractive potentials is also presented, as is an outline of the derivation of an effective Hamiltonian for regular interaction potentials, and the construction of plasmon states for this outside of the mean-field setting.Diese Dissertation betrifft die Korrelationsstruktur der wechselwirkenden Fermi Gase auf einem Torus im Mittelfeldregime. Es wird eine Bosonisierungsmethode im Geist von Sawada entwickelt, um das System zu analysieren und zur Herleitung einer oberen Schranke der Korrelationsenergie des Systems für eine breite Klasse von abstoßenden Wechselwirkungspotenziale, einschließlich des Coulomb-Potenzials.
Diese obere Schranke beinhaltet sowohl einen bosonisches Beitrag, wie in dem bosonischen Modell von Sawada, als auch einen Vertauschungsbeitrag, wie er von Gell-Mann und Brueckner entdeckt wurde, der aber von Sawadas Modell nicht erfasst wurde.
Eine Erweiterung zu schwach attraktiven Potenzialen wird ebenfalls vorgestellt, ebenso wie ein Umriss der Herleitung eines effektiven Hamiltonoperators für reguläre Wechselwirkungspotenziale, und die Konstruktion von Plasmonzuständen für diesen außerhalb des Mittelfeldrahmens
Taming rotationally supported disks using state of the art numerical methods
Get PDFWährend des gravitativen Kollapses eines Objekts bleibt der Drehimpuls erhalten. Im Fall eines endlichen Drehimpulses im System kann sich eine rotierende Scheibe bilden, die durch die Rotation stabilisiert wird. Aufgrund der Einfachheit dieses Mechanismus sind Scheiben allgegenwärtig in der Astrophysik, beispielsweise als protoplanetare Scheiben, Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher oder Spiralgalaxien. Insbesondere kalte Gasscheiben sind allerdings schwierig numerisch zu simulieren, da die Rotationsgeschwindigkeit deutlich über der Schallgeschwindigkeit liegt und bereits geringe Ungenauigkeiten in der verwendeten numerischen Methode zu einem unphysikalischem Wachstum von Fluidinstabilitäten führen können. Dies ist besonders dann problematisch, wenn man echte, physikalische Instabilitäten in diesen Systemen analysieren möchte.
Eine Methode, die im Prinzip besonders geeignet für die Analyse von Scheibensystemen sein sollte, ist die Berechnung der magnetohydrodynamischen Gleichungen auf einem mitbewegten Gitter, wie sie in dem kosmologischen Code AREPO realisiert ist. Hierdurch kann die Überschallströmung des Gases aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit in die Bewegung des Gitters aufgenommen und dadurch eliminiert werden. Die Bewegung und permanente Verzerrung der Gitterzellen aufgrund differentieller Rotation führt jedoch in der ursprünglichen Version von AREPO zu numerischem Rauschen, was die Nützlichkeit des Codes für kalte Scheiben deutlich reduziert hat. Das Ziel dieser Arbeit war es zunächst, die Ursache des Rauschens zu ermitteln und zu beheben. Anschließend sollte evaluiert werden, wie gut die verbesserte Methode kalte Scheiben beschreiben kann, insbesondere in Situationen, in denen Turbulenz durch Magnetfelder oder durch die Wechselwirkung von Strahlungskühlung und Gravitation erzeugt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit habe ich zuerst die sogenannte "Shearing-Box" Näherung in AREPO entwickelt, die es ermöglicht, einen kleinen Teil einer rotierenden Scheibe mit sehr hoher Auflösung zu simulieren. Im Gegensatz zu Implementierungen in anderen Codes bietet meine Lösung eine adaptive Gitterauflösung sowie vollständige Translationinvarianz. Daneben konnte ich durch eine präzisere numerische Integration der Flussfunktion über die Grenzflächen aneinanderstoßender Zellen das Rauschen auf Zellebene beheben und damit die Genauigkeit des Codes für Scherströmungen stark erhöhen.
Auf Basis dieser Verbesserungen habe ich anschließend die magnetische Rotationsinstabilität (MRI) in der Shearing-Box und die dabei auftretenden magnetischen Dynamo-Effekte analysiert. Sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Bereich habe ich gute Übereinstimmung mit früheren Ergebnissen in der Literatur gefunden, die mit statischen Gittercodes erzielt wurden. In einer weiteren Studie habe ich eine Codeerweiterung entwickelt, welche die Gravitationskräfte zwischen Massenelementen innerhalb der Simulationsregion unter Einbeziehung der speziellen Randbedingungen der Shearing-Box und ohne Auflösungsbeschränkungen berechnen kann. Mit Hilfe des sogenannten beta-Kühlens konnte ich zeigen, dass bei schwachem Strahlungskühlen unter Eigengravitation und Scherung ein gravitoturbulenter Zustand entsteht, während sich bei effizienterem Kühlen Fragmente aus kollabierenden Gaswolken herausbilden können. Schließlich habe ich die sogenannte Rossby-Wellen-Instabilität in globalen, zweidimensionalen Scheibensimulationen analysiert. Hierbei konnte ich sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Bereich gute Übereinstimmung mit der Literatur erzielen.
Die Entwicklung der Shearing-Box-Näherung und die Beseitigung des Rauschens auf Gitterebene in dem Verfahren mit einem bewegten Gitter ermöglicht vielfältige Forschungsanwendungen in der Zukunft. Einerseits kann die Wechselwirkung verschiedener Instabilitäten in Scheiben mit Hilfe der Shearing-Box präzise analysiert werden, andererseits sind nun auch globale Simulationen von ganzen Scheiben mit der Methode des bewegten Gitters möglich. Dieses Verfahren ermöglicht wesentlich größere Zeitschritte und geringere Advektionsfehler als herkömmliche Methoden mit stationären Gittern. Auch können Teile einer galaktischen Scheibe mit meiner Shearing-Box Methode in einem "Zoom" Modus simuliert werden, wobei insbesondere die geometrisch flexible, adaptive Auflösung der Methode von Vorteil ist.During the gravitational collapse of an object, the angular momentum is conserved. In the case of a finite angular momentum in the system, a rotating disk can form, stabilized by the rotation. Due to the simplicity of this mechanism, disks are ubiquitous in astrophysics, with prominent examples being protoplanetary disks, accretion disks around black holes, or spiral galaxies. However, cold gas disks in particular are difficult to be simulated numerically because the rotational velocity is much larger than the speed of sound and even small inaccuracies in the used numerical method can lead to the unphysical growth of fluid instabilities. This is particularly problematic when one tries to analyze real, physical instabilities in these systems.
A method that in principle should be particularly suitable for the analysis of disk systems is the solution of the magnetohydrodynamic equations on a moving mesh, as realized in the cosmological code AREPO. This allows the supersonic flow of the gas due to the rotational velocity to be included in the mesh motion and thereby to be eliminated. However, the motion and constant distortion of the grid cells due to differential rotation introduce numerical noise in the original version of AREPO, which has significantly reduced the usefulness of the code for cold disks. The goal of this work was first to identify and remove the origin of this "grid noise'', and second to evaluate how well the improved method can describe cold disks, especially in situations where turbulence is generated by magnetic fields or by the interaction of radiative cooling and gravity.
As part of this thesis, I first implemented the so-called "shearing-box'' approximation in AREPO, which allows a small portion of a rotating disk to be simulated at very high resolution. Unlike implementations in other codes, my solution provides an adaptive spatial resolution as well as full translation invariance. Additionally, by integrating the flux function more precisely over the interfaces of neighbouring cells, I was able to remove the grid noise, greatly increasing the accuracy of the code for shear flows.
Based on these improvements, I analyzed the magnetorotational instability (MRI) in the shearing box and the magnetic dynamo effects that one can observe. In both the linear and nonlinear regimes, I found good agreement with previous results in the literature obtained with static grid codes. In a further line of work, I have developed a code extension that can compute gravitational forces between mass elements within the simulation box, including the special boundary conditions of the shearing box and without resolution constraints. Using the so-called beta-cooling, I was able to show that weak radiative cooling in combination with self-gravity and shear can produce a gravito-turbulent state, while more efficient cooling can produce fragments in the form of collapsing gas clouds. Finally, I analyzed the so-called Rossby wave instability in global, two-dimensional disk simulations. Here I was able to obtain good agreement with the literature in both the linear and nonlinear regimes.
The development of the shearing-box approximation and the elimination of the grid noise in the moving mesh method allows a variety of research applications in the future. On the one hand, the interaction of different fluid instabilities in disks can be precisely analyzed using the shearing box, and on the other hand, global simulations of entire disks are now possible using the moving mesh method. This approach allows much larger time steps and smaller advection errors than conventional methods with stationary grids. Also, parts of a galactic disk can be simulated with my shearing box method in a ``zoom'' mode, where the geometrically flexible, adaptive resolution of the method is a particular advantage
