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Zusammenhang zwischen Lungenmorphologie in der Computertomographie und Ergebnissen von Lungenfunktionsuntersuchungen vom gleichen Tag bei erwachsenen Patientinnen und Patienten mit Mukoviszidose
Get PDFHintergrund: Mukoviszidose (CF) stellt die häufigste tödliche Erbkrankheit in der hellhäutigen Bevölkerung dar und ist nicht heilbar. Zu den Hauptmanifestationen der Erkrankung zählen pathologische Lungenveränderungen, welche v.a. in den Lungenoberlappen auftreten und im Krankheitsverlauf fortschreiten. Charakteristisch für CF sind hierbei insbesondere Bronchi-ektasien, es kann jedoch auch zu schleimverlegten oder wandverdickten Bronchien, Überblä-hungen und Parenchymveränderungen kommen. Diese pulmonalen Abnormalitäten bewirken eine Verschlechterung der Lungenfunktion, durchschnittlich wird dabei von einem jährlichen Abfall der forcierten Einsekunden-Kapazität (FEV1) von ca. 2% ausgegangen. Bei an CF Erkrankten werden deswegen zur Kontrolle des pulmonalen Krankheitsverlaufs regelmäßig Lungenfunktionstests (LFTs) durchgeführt und b. B. die Lunge zusätzlich bildgebend dargestellt. Den Goldstandard in der Bildgebung bei CF stellt dabei die Computertomographie (CT), insbesondere die hochauflösende CT (HRCT), dar. Aufgrund der sich fortlaufend verbessernden Diagnostik- und Therapiemöglichkeiten steigt das Lebensalter von Patien-tinnen und Patienten (kurz: Patienten) mit CF und demzufolge die Anzahl an erwachsenen Betroffenen stetig an.
Methoden: Im Rahmen der vorliegenden retrospektiven, mono-zentrischen Querschnitts-studie wurde bei 247 an CF erkrankten erwachsenen Patienten der Zusammenhang zwischen den Ergebnissen aus LFTs und CT-Untersuchungen der Klinik und Poliklinik für Radiologie des Klinikums der Ludwig-Maximilians-Universität München vom gleichen Tag untersucht. Hierfür wurden die CT-Aufnahmen aller Studienteilnehmer von zwei unabhängigen Beobachtern (Beob.), einem habilitierten Facharzt für Radiologie und einer Zahnärztin als Promotionsstudentin der Radiologie, mit Hilfe des Brody-Scores, einem semiquantitativen CT-Scoring-System für CF-bedingte Lungenveränderungen, ausgewertet. Der Brody-Score setzt sich aus fünf Sub-Scores zusammen, welche das Vorhandensein, die Lokalisation bzw. Ausdehnung und den Schweregrad der erwähnten pulmonalen Abnormalitäten (s.o.) für jeden der sechs Lungenlappen (inkl. Lingula) untersuchen. Die einzelnen Sub-Scores werden zum (Gesamt-)Brody-Score aufsummiert. Die Ergebnisse der beiden Beob. wurden für jeden Studienteilnehmer mit der entsprechenden FEV1 und der forcierten Vitalkapazität (FVC) verglichen. Darüber hinaus wurde geprüft, wie reproduzierbar der Brody-Score zwischen den zwei Beob. und innerhalb eines jeden Beob. ist sowie, ob in der Studienkohorte auch CF-Patienten mit Unterlappenbetonung der Lungenveränderungen zu finden sind und ob diese eine schlechtere Lungenfunktion aufweisen als CF-Patienten mit Oberlappenbetonung.
Ergebnisse: Es konnte nachgewiesen werden, dass im Mittel eine hohe Korrelation zwischen dem Brody-Score bzw. seinen einzelnen Sub-Scores und der FEV1 bzw. der FVC, und somit zwischen Lungenfunktion und -morphologie, bezogen auf tagesgleich durchgeführte Unter-suchungen bei erwachsenen Patienten mit CF besteht. Nach dem Gesamt-Brody-Score (Pearson-Korrelationskoeffizient (r) = -0,68 bzw. -0,77 und Spearman-Korrelationskoeffizient (rs) = -0,71 bzw. -0,77 für die FEV1; r = -0,65 bzw. -0,72 und rs = -0,66 bzw. -0,71 für die FVC) konnten dabei die höchsten Korrelationen für die Sub-Scores Bronchiektasien (r = -0,63 bzw. -0,73 und rs = -0,66 bzw. -0,74 für die FEV1; r und rs = jeweils -0,61 bzw. -0,68 für die FVC) und Bronchialwandverdickung (r = -0,63 bzw. -0,67 und rs = -0,66 bzw. -0,68 für die FEV1; r = -0,58 bzw. -0,65 und rs = -0,59 bzw. -0,64 für die FVC) festgestellt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Brody-Score im Durchschnitt eine sehr hohe Reproduzierbarkeit zwischen den zwei unterschiedlich erfahrenen Beob. aufzuweisen hat (r = 0,87 und rs = 0,85) und zudem auch innerhalb eines Beob. reproduzierbar ist (durchschnittliche Abweichungen von 10,5% bzw. 16,4%). Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit stellt die Identifikation von CF-Patienten mit unterlappenbetonter Lungenerkrankung dar, welche im Mittel tatsächlich eine schlechtere Lungenfunktion aufzuweisen haben als oberlappenbetonte Betroffene (p = 0,001-0,003 für die FEV1 und p = 0,002-0,005 für die FVC), welche zudem im Vergleich durchschnittlich weiter absinkt, je höher der Brody-Score und somit der Ausprägungsgrad der morphologischen Lungenveränderungen ausfällt.
Schlussfolgerung: Durch die Ergebnisse der vorliegenden Studie, welche im Gegensatz zu vorangehenden Publikationen eine weitaus höhere Anzahl an Patienten aufzuweisen hat, wurde bestätigt, dass der ursprünglich für Kinder mit CF entwickelte Brody-Score als (HR)CT-Scoring-System auch bei erwachsenen CF-Patienten angewendet werden kann, da er hierbei ebenso hoch mit der Lungenfunktion korreliert und sehr reproduzierbar ist. Da zum jetzigen Stand noch keine Publikationen zur Lungenfunktion speziell von CF-Patienten mit Unterlap-penbetonung der pulmonalen Pathologien veröffentlicht wurden, könnte unser Ergebnis, nämlich dass ebendiese Betroffenen eine schlechtere Lungenfunktion aufweisen als Erkrankte mit der als typisch geltenden Oberlappenbetonung, eine neue Erkenntnis in der CF-Forschung darstellen. Dies könnte ggf. über angepasste Diagnostik- und Therapiemaßnahmen sowohl die Lebensqualität als auch die Lebenserwartung dieser Patientengruppe verbessern.Background: Cystic fibrosis (CF) is the most common fatal hereditary disease in the fair-skinned population and cannot be cured. The main manifestations of the disease include pathological lung changes, which occur primarily in the upper lobes of the lungs and progress over the course of the disease. CF is characterized in particular by bronchiectasis, but it can also lead to mucous plugging, bronchial wall thickening, hyperinflation or parenchymal changes. These pulmonary abnormalities are associated with a deterioration in lung function, with an average annual drop in forced expiratory volume in 1 second (FEV1) of about 2%. Patients with CF therefore regularly undergo pulmonary function tests (PFTs) to monitor the pulmonary course of the disease and, if necessary, lung imaging. The gold standard in imaging CF-patients is computed tomography (CT), especially high-resolution CT (HRCT) of the chest. Due to the continuous improvement in diagnostic and therapeutic options, the age of patients with CF and consequently the number of adults affected is constantly increasing.
Methods: This retrospective, monocentric cross-sectional study investigated the relationship between the results of same-day PFTs and CT-examinations in the Department of Radiology at the Ludwig-Maximilians-University Hospital in Munich among 247 adult CF-patients. The CT-images of all study participants were evaluated by two independent observers, one attending radiologist and one dentist enrolled in a doctoral course of studies in radiology, using the Brody-score, a semi-quantitative CT-scoring-system for CF-related lung changes. The Brody-score comprises five sub-scores, which examine the respective presence, localization, extent and severity of the pulmonary abnormalities mentioned above for each of the six lung lobes (including the lingula as the left middle lung lobe). The individual sub-scores add up to the (total) Brody-score. Brody-scores obtained by the two observers were compared with the corresponding FEV1 and forced vital capacity (FVC) for each study participant. Additional tests included the reproducibility of the Brody-score between observers and the repeatability within each observer, prevalence within the study group of CF-patients with lower-lobe predominance of CF-related lung changes and differences in PFT-results between CF-patients with lower-lobe predominance versus upper-lobe predominance of CF-related lung changes.
Results: Respective correlations between the Brody-score and its different sub-scores and both FEV1 and FVC, and thus between lung function and morphology, were high on average for same-day CT and PFT examinations among adult patients with CF. The total Brody-score (Pearson correlation coefficient (r) = -0,68 and -0,77, Spearman correlation coefficient (rs) = -0,71 and -0,77 for FEV1; r = -0,65 and -0,72, rs = -0,66 and -0,71 for FVC) and the respective sub-scores for bronchiectasis (r = -0,63 and -0,73, rs = -0,66 and -0,74 for FEV1; r and rs = -0,61 and -0,68 for FVC) and bronchial wall thickening (r = -0,63 and -0,67, rs = -0,66 and -0,68 for FEV1; r = -0,58 and -0,65, rs = -0,59 and -0,64 for FVC) showed the highest correlations with PFT-results. Both inter-observer reproducibility (r = 0,87 and rs = 0,85) and intra-observer repeatability (average deviations of 10,5% and 16,4%) of the Brody-score were very high. Additional tests identified a sub-group of CF-patients with lower-lobe predominance of CF-related lung changes whose lung function was significantly worse than in CF-patients with upper-lobe predominance, despite similar total Brody-scores (p = 0,001-0,003 for the FEV1 and p = 0,002-0,005 for the FVC). Among CF-patients with lower-lobe predominance of CF-related lung changes, PFT-results also decreased with increasing total Brody-scores.
Conclusion: This study among 247 adult CF-patients with same-day CT and PFTs corroborates smaller previous publications, mostly among children and adolescents, confirming that the Brody-score, which was originally developed for children with CF, also applies to (HR-)CT of the chest in adult CF-patients, correlates highly with lung function and is well reproducible. As there are currently no publications on lung function in adult CF-patients with lower-lobe predominance of pulmonary pathologies, our finding of worse lung function among these patients appears to be new. Recognizing such patients could improve both their quality of life and their life expectancy if diagnostic and therapeutic measures adapt
Unveiling the physics of broad line regions in AGNs with GRAVITY
Get PDFSupermassive black holes (SMBHs) are believed to reside in the centre of most galaxies and have a vital role in galaxy formation and evolution, as indicated by the tight correlation between their masses and their host galaxy properties. It is, therefore, crucial to accurately measure SMBH masses. However, doing so requires spatially resolving the sphere of influence where the gravitational potential of the SMBH dominates. Within this region is the broad line region (BLR), which is responsible for the broad emission lines detected in the spectra of active galaxies. This emphasises the importance of studying the physics of the BLR in accurately measuring SMBH masses. GRAVITY, the second-generation instrument at the Very Large Telescope Interferometer (VLTI), provides unprecedented precision, allowing one to spatially resolve the BLR and measure the SMBH mass through dynamical modelling of the differential phase signal taken from interferometric observations. This work exploits the capability of GRAVITY to unveil the physics of BLR for the grand purpose of better understanding the SMBH-galaxy coevolution scenario.
This dissertation is divided into three parts that all focus on understanding BLR physics with GRAVITY observations. The first one (GRAVITY Collaboration et al. 2024, A&A, 684, A167) shows the analyses of four new low-redshift active galactic nuclei (AGNs) observed with GRAVITY. Their BLRs have been spatially resolved, allowing accurate measurements of their central BH masses. Upon utilising all seven low-redshift GRAVITY-observed AGNs, we find a shallower slope in the radius-luminosity (R-L) relation compared to the canonical R-L relation based on reverberation mapping (RM) measurements. Several reasons for such a shallower slope include either the apparent role of accretion rate in producing smaller BLR sizes at higher luminosity, or the assumption that all AGNs have the identical ionising spectra is wrong.
The second part of this dissertation (Santos et al. 2025a, A&A, 696, A30) presents a preparatory spectroscopic survey of 29 z ~ 2 AGNs observed with NTT/SOFI for the advent of GRAVITY+, the series of improvements in GRAVITY which will pave the way for observations of fainter and high-redshift AGNs. The survey aims to confirm their quasar nature and determine their expected interferometric signals for GRAVITY+ observations. However, we were also able to draw interesting conclusions about the emission line and BLR properties of our targets. Based on their SOFI spectra, we find that most of their Hα emission lines have line shapes (full-width-half-maximum to dispersion ratio or FWHM/σ) less than the Gaussian value of 2.35, which we purport to cause the measured virial factors of these targets to be lower than expected assuming Gaussian line shapes. Such smaller line shapes could be attributed to either the presence of both turbulent and rotational components in the BLR, or a two-component BLR model composed of an inner and outer part. The targets show moderate Eddington ratios (λ_Edd ~ 0.1), and most are fitted with the BLR model dominated by Keplerian motion. Two targets show asymmetric Hα emission lines, which can only be fitted with a BLR model dominated by radial motions. Lastly, their expected differential phase signals provide insights into the observability of the targets while considering their single-epoch BH mass estimates and their dependence on the chosen line width measurement.
The third and last section of this dissertation (Santos et al. 2025b, to be submitted to A&A) studies the differential phase signal and reconstruction via dynamical modelling of the radiation-driven fountain (RDF) simulation that is widely used to explain the formation and physics of the BLR through vertical inflow-outflow systems due to radiative pressure. We simulate a GRAVITY observational campaign of a BLR generated from the RDF simulation with the same BH mass and AGN luminosity as NGC 3783, one of the low-redshift AGNs observed with GRAVITY, whose BLR has been spatially resolved. Using the spectral synthesis code, CLOUDY, the Brγ line profile of the model is generated, while the differential phase of the simulation is calculated from the photocentres of the cells in the simulation.The differential phase and flux spectra of the RDF simulation are fitted with the Pancoast model, a phenomenological model of the BLR that is widely used in GRAVITY and RM works. Our findings highlight the difficulty of the Pancoast model in recovering the geometric, angular, and kinematic properties of the simulation, especially its outflowing nature, despite successfully yielding consistent BH mass and BLR size with our ground truth values derived from the simulation. The Pancoast model is also able to recover the average picture of the simulation, which is a thin disc BLR dominated by Keplerian motion. We observe that the calculated differential phase of the simulation is asymmetric, which we purport is due to the asymmetry of its LoS velocity distribution. We emphasise the importance of future works in improving our current work, such as adding scattering physics to produce a smoother and single-peaked simulated Brγ emission line, investigating more snapshots of the simulation, looking into the super-Eddington case of the simulation, studying other possible prescriptions of the radial and angular distribution of the Pancoast model, and understanding the feasibility of studying other disc-wind simulations instead of the RDF simulation.Man geht heute davon aus, dass sich im Zentrum der meisten Galaxien extrem massereiche schwarze Löcher (supermassive black holes oder SMBHs) befinden. Enge Korrelationen zwischen ihrer Masse und vielen Eigenschaften ihrer Wirtsgalaxie lassen auf eine wichtige Rolle die SMBHs bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien schließen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Massen der SMBHs genau zu messen. Dazu muss jedoch die Region, die vom Gravitationspotenzial der SMBHs dominiert wird, räumlich aufgelöst werden. Innerhalb dieser Region befindet sich die sogenannte broad-line region (oder BLR), die für die breiten Emissionslinien in den Spektren aktiver Galaxien verantwortlich ist. Für die genaue Messung der SMBH-Massen ist es daher wichtig, die Physik der BLR zu verstehen. GRAVITY, ein Instrument der zweiten Generation am Very Large Telescope Interferometer (VLTI), bietet eine noch nie dagewesene Präzision, die es ermöglicht, die BLR räumlich aufzulösen und die Masse der SMBHs durch dynamische Modellierung des differentiellen Phasensignals aus interferometrischen Beobachtungen zu messen. Die vorliegende Arbeit studiert anhand von GRAVITY-Daten die Physik der BLR und die Erkenntnisse, die sich daraus ergeben, für das Szenario der Koevolution von SMBHs und ihren Galaxien.
Diese Dissertation ist in drei Teile gegliedert, die auf drei Arbeiten zum Hauptthema des Verständnisses der BLR-Physik mit GRAVITY-Beobachtungen beruhen. Der erste Teil (GRAVITY Collaboration et al. 2024, A&A, 684, A167) zeigt neue Analysen von vier lokalen Galaxien mit aktiven galaktischen Kernen (active galactic nuclei oder AGNs), die mit GRAVITY beobachtet wurden. Ihre BLRs wurden räumlich aufgelöst, was genaue Messungen ihrer zentralen BH-Massen ermöglicht. Bei der Verwendung aller sieben mit GRAVITY beobachteten lokalen AGNs finden wir eine flachere Steigung in der Radius-Leuchtkraft (R-L)-Relation im Vergleich zur kanonischen R-L-Relation, die auf Messungen mit der Methode des Reverberation Mappings oder RM basiert. Für eine solche flachere Steigung spielt entweder die Akkretionsrate eine Rolle (durch Erzeugung kleinerer BLR-Größen bei gegebener Leuchtkraft), oder die Annahme, dass alle AGNs die gleichen Ionisationsspektren haben, ist falsch.
Der zweite Teil dieser Dissertation (Santos et al. 2025a, A&A, 696, A30) stellt eine spektroskopische Durchmusterung von 29 z ~ 2 AGNs vor, die mit NTT/SOFI für in Vorbereitung auf GRAVITY+ beobachtet wurden. GRAVITY+ enthält eine Serie von Verbesserungen gegenüber GRAVITY, die den Weg für die Beobachtung von schwächeren AGNs bei höheren Rotverschiebungen ebnen werden. Das Ziel der Durchmusterung ist es, die Quasar-Natur dieser Quellen zu bestätigen und ihre erwarteten interferometrischen Signale für Beobachtungen mit GRAVITY+ zu bestimmen. Wir konnten jedoch auch interessante Rückschlüsse auf die Emissionslinien- und BLR-Eigenschaften unserer Ziele ziehen. Auf der Grundlage ihrer SOFI-Spektren stellen wir fest, dass die meisten ihrer Hα-Emissionslinien Linienformen (FWHM/σ) aufweisen, die unter dem Gaußschen Grenzwert von 2,35 liegen, was unserer Meinung nach dazu führt, dass die gemessenen Virialfaktoren dieser Quellen niedriger sind als unter der Annahme von Gaußschen Linienformen erwartet. Solche schmäleren Linienformen könnten entweder auf das Vorhandensein sowohl turbulenter als auch rotierender Komponenten in der BLR zurückzuführen sein, oder auf ein Zweikomponenten-BLR-Modell, bestehend aus einem inneren und einem äußeren Teil. Die Quellen weisen geringe Eddington-Verhältnisse auf ( λ_Edd ~ 0,1), und die meisten von ihnen passen zum BLR-Modell, das von Keplerbewegungen dominiert wird. Zwei Quellen zeigen asymmetrische Hα-Emissionslinien, die nur mit einem BLR-Modell mit radialen Bewegungen rekonstruiert werden können. Schließlich geben die erwarteten differentiellen Phasensignale Aufschluss über die Beobachtbarkeit der Objekte unter Berücksichtigung ihrer (RM-basierten) BH-Massenschätzung und ihrer Abhängigkeit von der gewählten Art der Linienbreitenmessung.
Der dritte und letzte Abschnitt dieser Dissertation (Santos et al. 2025b, bei A&A einzureichen) untersucht das erwartete differentielle Phasensignal und dessen Rekonstruktion mittels eines dynamischen Modells einer strahlungsgetriebenen Fontäne (RDF), das weithin verwendet wird, um die Entstehung und die Physik der BLR durch Systeme mit strahlungsdruckgetriebenen vertikalen Ein- und Ausströmen zu erklären. Wir simulieren eine GRAVITY-Beobachtungskampagne eines aus der RDF-Simulation erzeugten BLR mit der gleichen BH-Masse und AGN-Leuchtkraft wie NGC 3783, einem der mit GRAVITY beobachteten AGNs mit niedriger Rotverschiebung, dessen BLR räumlich aufgelöst wurde. Mit Hilfe des Spektralsynthese-Codes CLOUDY wird das Brγ-Linienprofil des Modells erzeugt, während die differentielle Phase aus den Photozentren der Zellen in der Simulation berechnet wird. Die differentiellen Phasen- und Flussspektren der RDF-Simulation werden mit dem phänomenologischen Pancoast-Modell der BLR modelliert, das in GRAVITY- und RM-Arbeiten häufig verwendet wird. Unsere Ergebnisse zeigen, wie schwierig es für das Pancoast-Modell ist, die geometrischen und kinematischen Eigenschaften der Simulation wiederherzustellen, insbesondere die ausströmende Natur, obwohl die BH-Masse und die BLR-Größe konsistent mit unseren aus der Simulation abgeleiteten Werten übereinstimmen. Das Pancoast-Modell ist auch in der Lage, das durchschnittliche Bild der Simulation wiederherzustellen, nämlich das einer dünnen BLR-Scheibe, die von der Keplerschen Bewegung dominiert wird. Wir beobachten, dass die berechnete differentielle Phase der Simulation asymmetrisch ist, was wir auf die Asymmetrie der LoS-Geschwindigkeitsverteilung zurückführen. Wir betonen die Wichtigkeit zukünftiger Arbeiten zur Verbesserung unserer aktuellen Arbeit, wie z. B. das Hinzufügen von Streuphysik, um eine gleichmäßigere simulierte Brγ-Emissionslinie mit nur einer Spitze zu erzeugen, das Untersuchen weiterer Schnappschüsse der Simulation, das Untersuchen des Super-Eddington-Falls der Simulation, das Untersuchen anderer möglicher radialen und winkelmäßigen Verteilungen und die Untersuchung der Durchführbarkeit anderer Scheibenwindsimulationen anstelle der RDF-Simulation
Ergebnisse nach Implantation eines künstlichen Harnblasensphinkters bei männlicher Harninkontinenz und Untersuchung von Haupteinflussfaktoren
Get PDFErstevaluation einer Online-Therapie der Emotionsregulation für Erwachsene mit Autismus-Spektrum-Störung anhand subjektiver Erfahrungen und Indikatoren der psychischen Gesundheit
Get PDFThe main objective of the following work is the initial evaluation of a newly developed online group therapy to improve emotion regulation in adults with autism spectrum disorder. To the best of our knowledge, this is the first therapy of its kind in the German-speaking world. The guiding questions of the study were: "Does the intervention lead to a significant improvement in the areas of emotion regulation and mental health?” and “What role might the virtual setting and the COVID-19 pandemic play in the subjective therapy experience?". The acceptance and feasibility of the concept were also investigated. To answer the guiding questions and to evaluate the therapy concept, a randomized-controlled study was conducted in which the intervention group participated in eight virtual therapy sessions. Both qualitative and quantitative data were based on questionnaires as well as clinical assessments.
The results of the quantitative analysis could indicate an improved ability to regulate emotions as well as a positive change in mental health after therapy participation. The intervention group showed significant changes in the categories alexithymia (TAS-20) and interpersonal emotion regulation (IERQ) as well as in global adaptive functioning (GAF).
The qualitative analysis revealed that the fear of technical problems as well as the actual disconnection during the therapy sessions were the most relevant challenges of this intervention type. The main advantage of the virtual setting was highlighted as the elimination of travel associated with stress. The virtual setting does not appear to have had a negative impact on the effectiveness of the therapy.
Overall, the results suggest that the new therapy concept may be effective. However, due to a limited sample size and low statistical power, the results to date must be regarded as preliminary. Further therapy runs to obtain a larger number of participants as well as for final evaluation of the results are currently being conducted. The present study offers exploratory and hypothesis generating basics, but further confirmatory studies are necessary
Transition-metal free strategies for the construction and functionalization of strained unsaturated carbo- and heterocyclic systems
Get PDFMorphologische Veränderungen von Mikroglia in der Frühphase eines Multiple Sklerose Tiermodells
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X-ray emission of simulated galaxies
Get PDFViele der physikalischen Prozesse, die den Aufbau und die Entwicklung großräumiger Strukturen im Universum steuern, setzen Strahlung im Röntgenbereich frei.
Von diesen Strukturen sind Galaxien besonders interessant, da in ihnen optimale Bedingungen für jene Prozesse herrschen.
Zum Beispiel wird das interstellare Medium (ISM) von Supernova (SN) Explosionen, den Winden massereicher Sterne, sowie der intensiven Strahlung des zentralen supermassiven schwarzen Lochs (SMBH) aufgeheizt.
Des Weiteren können Röntgendoppelsterne, die durch Akkretionsprozesse an kompakten Objekten (CO) ihre Leuchtkraft erlangen, als Punktquellen in den Sternenfeldern von Galaxien beobachtet werden.
Gleichzeitig wird großräumig verteiltes Gas im Gravitationspotential des zugrundeliegenden Halos dunkler Materie aufgeheizt.
Dieses Reservoir an heißem Gas reguliert, zum Beispiel, die Sternentstehungsrate im Inneren des Halos.
Alle hier genannten Phänomene können im Röntgenstrahlenbereich beobachtet werden und bilden einen wichtigen Eckpfeiler für unser Verständnis von Strukturbildung im Universum.
Zu den aufgezeigten Beobachtungen können moderne kosmologische hydrodynamische Simulationen eine ergänzende Funktion einnehmen, da sie morphologische und hydrodynamische Eigenschaften von Galaxien und deren Umgebung im Kiloparsec-Bereich auflösen können.
Der Fortschritt in der numerischen Astrophysik ermöglicht es, realistische Umgebungsbedingungen für Galaxienentwicklung zu schaffen, sodass detaillierte Analysen mit dem Informationsgehalt des gesamten Phasenraums durchgeführt werden können.
In dieser Arbeit stellen wir eine Analyse der Röntgeneigenschaften von simulierten Galaxien aus der modernen kosmologischen Simulationsreihe "Magneticum Pathfinder" vor.
Dabei nutzen wir ein virtuelles Röntgenobservatorium genannt PHOX, welches die intrinsischen Eigenschaften der Simulation nutzt, um realistische Pseudobeobachtungen im Röntgenbereich zu produzieren.
Das Novum in unserer Analyse basiert auf der Entwicklung eines numerischen Modells, das die stellare Komponente kosmologischer Simulationen nutzt, um realistische Abbilder von Röntgendoppelsternpopulationen zu generieren.
Teil I beginnt mit einer allgemeinen Einleitung über fundamentale Prinzipien der Galaxienentwicklung sowie physikalischer Prozesse, die die Kühlung von astrophysikalischen Gasen beschreiben.
Im Nachhinein geben wir einen Überblick über Beobachtungen der verschiedenen Größenskalen von Galaxien im Röntgenbereich, die vom ISM bis zum zirkumgalaktischen Medium (CGM) reichen.
Wir schließen Teil I mit einer detaillierten Beschreibung der Entstehung und Entwicklung von Röntgendoppelsternen sowie der relevanten Akkretionsprozesse.
In Teil II präsentieren wir zunächst die numerische Implementierung physikalischer Modelle in "Magneticum" anhand der Sternentstehung und Energierückkopplung des SMBH und beschreiben die Konvertierung von Simulationsdaten zu Pseudobeobachtungen im Röntgenbereich.
Darauffolgend beschreiben wir unser neues Modell zur Darstellung von Röntgendoppelsternen mithilfe der Eigenschaften der kosmologischen Simulation.
Wir führen verschiedene Prüfungen unseres Modells durch, um die korrekte Darstellung empirischer Relationen und räumlicher Verteilung von Röntgendoppelsternen in simulierten Galaxien zu gewährleisten.
Des Weiteren zeigen wir, dass unser Modell korrekte Röntgenspektren von Galaxien erzeugt und dass der Beitrag von Röntgendoppelsternen den Ergebnissen von Beobachtungen entspricht.
Darauf aufbauend untersuchen wir die Flächenverteilung der Leuchtkraft im Röntgenbereich von simulierten Galaxien, wobei unser Modell wichtige Einblicke in mögliche Kontaminationsquellen im CGM gibt.
Wir zeigen, dass etwa 10% der Leuchtkraftverteilung nahe des Virialradius einer Galaxie auf Röntgendoppelsterne zurückgeführt werden kann.
Zusätzlich ist die Normalisierung der Leuchtkraftverteilung in Galaxien mit hohen Sternentstehungsraten größer als in solchen mit niedrigen Raten.
Die maximale räumliche Ausdehnung der Leuchtkraftverteilung ist außerdem abhängig vom Massenanteil und der mittleren Temperatur des heißen Gases der Galaxie sowie von der Gesamtmasse an Sternen.
Unter näherer Betrachtung der Gaskomponente stellen wir quantitativ steilere Leuchtkraftverteilungen in simulierten als in realen Galaxien fest, wobei die Steigung mit der Gesamtleuchtkraft im Röntgenbereich und dem Massenanteil an heißem Gas positiv korreliert.
Interessanterweise weist die momentane Akkretionsrate des zentralen SMBH Korrelationen mit denselben Parametern auf, was auf die regulierenden Eigenschaften des SMBH im Zusammenhang mit Galaxienentwicklung hindeutet.
Trotz der steileren Leuchtkraftverteilung ist die Gesamtleuchtkraft der simulierten Galaxien als Funktion der Virialmasse im Einklang mit beobachteten Relationen.
In Teil III fokussieren wir unsere Analyse auf filamentartige Netzwerke der Materie, welche großräumige Strukturen miteinander verbindet.
Das dünne Plasma innerhalb dieser Filamente zeigt lediglich schwache Abstrahlung im Röntgenbereich und wird von Galaxien und Galaxienhaufen überstrahlt.
Daher präsentieren wir eine vorläufige Studie zu den Fähigkeiten von zukünftigen Röntgenteleskopen, die sich der Mikrokalorimetrie bedienen, um mit hoher spektraler Auflösung die schwache Emission der Filamente zu erschließen.
Abschließend fassen wir unsere Ergebnisse in Teil IV zusammen und zeigen Perspektiven für zukünftige Studien mit unserem Modell auf.
Diese beinhalten unter anderem Synergien zwischen räumlich hochauflösenden Röntgen- und Infrarotteleskopen, welche die Beschreibung von Röntgendoppelsternen in simulierten und realen Galaxien verbessern werden.
Außerdem kann der genaue Beitrag von Galaxien und Röntgendoppelsternen zum kosmischen Röntgenhintergrund abgeschätzt werden.Many of the physical processes governing the assembly and evolution of structures in the universe release radiation in the X-ray regime.
Galaxies, in particular, exhibit the necessary conditions for these processes.
For instance, the interstellar medium (ISM) is heated and ionized by shockwaves of supernova (SN) remnants, by the intense winds of massive stars, and by the intense radiation and energy deposition of an actively accreting super-massive black hole (SMBH) in the galactic center.
Point-like X-ray binary (XRB) sources observed in the stellar field of galaxies are associated with binary stars containing a compact object (CO) where gravitational and orbital interaction funnel material onto the CO via a viscously heated accretion disc.
Lastly, the gas surrounding each galaxy from the primordial assembly is heated by the gravitational potential well of the galaxy's dark matter halo and acts as a recycling agent for star formation processes in the inner halo.
Therefore, X-ray observations of galaxies are an important cornerstone for our understanding of structure formation and processes governing the cooling and heating of astrophysical plasmas.
Observations are complemented by cosmological hydrodynamical simulations which are able to resolve morphological features and hydrodynamic properties of the gas within galaxies down to kiloparsec scales and provide realistic environments for their evolution.
The tremendous progress in the field of computational astrophysics provides a controlled physical representation of galaxy evolution which can be analyzed in depth using the full phase-space information of such simulations.
In this work, we present an analysis of X-ray properties of simulated galaxies from the state-of-the-art hydrodynamical cosmological simulation suite "Magneticum Pathfinder" and also connect them to the large-scale environment.
We make use of the virtual X-ray photon observatory PHOX which converts the intrinsically tracked properties of the simulation to produce a realistic X-ray mock observation.
The novelty in our analysis lies in the development of a new numerical model that produces realistic XRB sources for X-ray mock observations of the stellar component in the simulation.
In Part I of the thesis, we begin with a general introduction to the main principles of galaxy formation and the main physical processes governing the cooling of astrophysical gas.
We follow up with an overview of X-ray observations on various scales ranging from their ISM to the circumgalactic medium (CGM) and describe the formation and evolution of XRB sources in much greater detail also touching on the main aspects regarding accretion physics.
In the following Part II, we start by presenting implementation details of the physical models included in "Magneticum", i.e. star formation and SMBH feedback, and describe the process of converting the simulation output into realistic X-ray mock observations.
We continue with an in-depth description of our new model which produces realistic XRB populations from the stellar component of the simulation.
We perform various tests to confirm that the modeled XRB populations follow empirically derived X-ray scaling relations and the appropriate stellar age distribution within the simulated galaxy.
Furthermore, we show that the inclusion of this new approach for XRB sources produces galaxy X-ray spectra that are in perfect agreement with observations.
Our model predicts the correct relative contribution of XRBs towards the X-ray spectrum.
As a follow-up, we then investigate the surface brightness (SB) of simulated galaxies in "Magneticum" including our XRBs model to gain insights into possible contaminants when targeting the faint X-ray emission from the \acs*{cgm}.
We find that XRBs can contribute up to 10\% of the signal received close to the virial radius of a galaxy indicating the presence of a diffuse stellar component.
Furthermore, we find that the SB of star-forming galaxies (SFG) has a higher normalization than for \acp*{qug}.
The extent of the SB in SFG declines with stellar mass, hot gas fraction, and hot gas temperature.
Focusing on the gas component in simulated galaxies, we found quantitatively steeper fitted -profiles in simulated galaxies compared to observations.
The slope is correlated with the hot gas fraction and X-ray luminosity of the gas.
Interestingly, the current accretion rate of the central SMBH is also correlated with the aforementioned quantities highlighting its regulatory role in galaxy evolution.
Despite the steeper profile shapes the total gas X-ray luminosity within the virial radius as a function of halo mass is in good agreement with observed scaling relations.
In Part III we focus on the large-scale cosmic web in which galaxies are embedded.
We show a preliminary study on the faint emission and galaxy contamination of the thin plasma in the filamentary bridges between galaxy clusters.
Specifically, we test the capabilities of future X-ray telescopes employing microcalorimeter technology to achieve much higher spectral resolution.
We conclude this thesis in Part IV by summarizing our findings and giving future perspectives on additional studies.
This includes possible synergies between high-resolution X-ray and infrared observations to improve the description of XRB populations in simulated and real galaxies.
Another application would be the estimate of the contribution of galaxies in general and XRBs in particular towards the cosmic X-ray background