@phdthesis{Weidinger2011,
  author    = {Weidinger, Matthias},
  title     = {Variabilit{\"a}t entlang der Blazar-Sequenz - Hinweise auf die Zusammensetzung relativistischer Ausfl{\"u}sse Aktiver Galaxienkerne},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-70508},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Abstrahlung von Aktiven Galaxienkernen. Das erste Maximum der charakteristischen Doppelpeakstruktur des \$\nu F_{\nu}\$-Spektrums vom Blazaren ist zweifelsfrei Synchrotronstrahlung hochenergetischer Elektronen innerhalb des relativistischen Ausflusses des zugrundeliegenden Aktiven Galaxienkerns. Die zum zweiten (hochenergetischen) Maximum beitragenden Strahlungsprozesse und Teilchenspezies hingegen sind Gegenstand aktueller Diskussionen. In dieser Arbeit wir ein vollst{\"a}ndig selbstkonsistentes und zeitabh{\"a}ngiges hybrides Emissionsmodell, welches auch Teilchenbeschleunigung ber{\"u}cksichtigt, entwickelt und auf verschiedene Blazar-Typen entlang der Blazar-Sequenz, von BL Lac Objekten mit verschiedenen Peakfrequenzen bis hin zu Flachspektrum-Radioquasaren, angewendet. Die spektrale Emission ersterer kann gut im rein leptonischen Grenzfall, d.h. der zweite \$\nu F_{\nu}\$-Peak kommt durch invers Compton-gestreute Synchrotronphotonen der abstrahlenden Elektronen selbst zustande, beschrieben werden. Zur Beschreibung letzterer muss man nicht-thermische Protonen innerhalb des Jets zulassen um die Dominanz des zweiten Maximums im Spektrum konsistent zu erkl{\"a}ren. In diesem Fall besteht der zweite Peak aus Protonensynchrotronstrahlung und Kaskadenstrahlung der photohadronischen Prozesse. Mit dem entwickelten Modell ist es m{\"o}glich auch die zeitliche Information, welche durch Ausbr{\"u}che von Blazaren bereitgestellt wird, auszunutzen um zum einen die freien Modellparameter weiter einzuschr{\"a}nken und -viel wichtiger- zum anderen leptonisch dominierte Blazare von hadronischen zu unterscheiden. Hierzu werden die typischen Zeitunterschiede in den Interbandlichtkurven als hadronischer Fingerabdruck benutzt.\\ Mit einer Stichprobe von 16 Spektren von zehn Blazaren entlang der Blazar-Sequenz, welche in unterschiedlichen Flusszust{\"a}nden und mit starker Variabilit{\"a}t beobachtet wurden, ist es m{\"o}glich die wichtigsten offenen Fragen der Physik relativistischer Ausbr{\"u}che in systematischer Art und Weise zu adressieren. Anhand der modellierten Ausbr{\"u}che kann man erkennen, dass sechs Quellen rein leptonisch dominiert sind, aber vier Protonen bis auf \$\gamma \approx 10^{11}\$ beschleunigen, was Auswirkungen auf die m{\"o}glichen Quellen extragalaktischer kosmischer Strahlung unter den Blazaren hat. Dar{\"u}ber hinaus findet sich eine Abh{\"a}ngigkeit zwischen dem Magnetfeld der Emissionsregion und der injizierten Leuchtkraft, welche unabh{\"a}ngig von den zugrunde liegenden Teilchenpopulationen G{\"u}ltigkeit besitzt. In diesem Zusammenhang l{\"a}sst sich die Blazar-Sequenz als ein evolution{\"a}res Szenario erkl{\"a}ren: die Sequenz \$FSRQ \rightarrow LBL/IBL \rightarrow HBL\$ kommt aufgrund abnehmender Gasdichte der Hostgalaxie und damit einhergehender abnehmender Akkretionsrate zustande, dies wird durch weitere kosmologische Beobachtungen best{\"a}tigt. Eine abnehmende Materiedichte innerhalb des relativistischen Ausflusses wird von einem abnehmenden Magnetfeld begleitet, d.h. aber auch, dass Protonen weit vor den Elektronen nicht mehr im Strahlungsgebiet gehalten werden k{\"o}nnen. Die Blazar-Sequenz ist also ein Maß f{\"u}r die Hadronizit{\"a}t des Jets. Dies erkl{\"a}rt zudem die Dichotomie von FSRQs und BL Lac Objekten sowie die Zweiteilung in anderen Erscheinungsformen von AGN, z.B. FR-I und FR-II Radiogalaxien.\\ W{\"a}hrend der Modellierung wird gezeigt, dass man Blazar-Spektren, speziell im hadronischen Fall, nicht mehr statisch betrachten kann, da es zu kumulierten Effekten aufgrund der langen Protonensynchrotronzeitskala kommt. Die niedrige Luminosit{\"a}t der Quellen und unterschiedlich lange Beobachtungszeiten verschiedener Experimente verlangen bei variablen Blazaren auch im leptonischen Fall eine zeitabh{\"a}ngige Betrachtung. Die Kurzzeitvariabilit{\"a}t scheint bei einzelnen Blazaren stets die selbe Ursache zu haben, unterscheidet sich aber bei der Betrachtung verschiedener Quellen. Zus{\"a}tzlich wird f{\"u}r jeden Blazar, der in verschiedenen Flusszust{\"a}nden beobachtet werden konnte, der Unterschied zwischen Lang- und Kurzzeitvariabilit{\"a}t, auch im Hinblick auf einen m{\"o}glichen globalen Grundzustand hin, betrachtet.},
  subject      = {Blazar},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Wisniewski2011,
  author    = {Wisniewski, Martina},
  title     = {Numerische Untersuchung von Turbulenz und Teilchentransport in der Heliosphaere},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-64652},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Hochenergetische solare Teilchen werden bei ihrem Transport durch die Heliosph{\"a}re an turbulenten Magnetfeldern gestreut. F{\"u}r das Verst{\"a}ndnis dieses Streuprozesses ergeben sich aus heutiger Sicht zwei wesentliche Hindernisse: - Bei der Streuung hochenergetischer Teilchen an turbulenten Magnetfeldern handelt es sich um einen nichtlinearen Prozess, der durch analytische Theorien kaum zu beschreiben ist. - Der Streuprozess h{\"a}ngt stark von den tats{\"a}chlichen Magnetfeldern und somit auch von der Magnetfeldturbulenz ab. Unser bisheriges Verst{\"a}ndnis der heliosph{\"a}rischen Turbulenz ist leider aufgrund sp{\"a}rlicher experimenteller Daten deutlich eingeschr{\"a}nkt, was eine qualifizierte Umsetzung in analytischen und numerischen Ans{\"a}tzen deutlich erschwert. Dies machte in der Vergangenheit k{\"u}nstliche Annahmen f{\"u}r die Modellerstellung notwendig. In dieser Arbeit wird der Teilchentransport mit Hilfe der Simulation von Testteilchen in einem turbulenten, magnetohydrodynamischen Plasma untersucht. Durch die Testteilchen werden auch die nichtlinearen Streuprozesse korrekt wiedergegeben, wodurch das erste hier genannte Hindernis {\"u}berwunden wird. Dies wurde auch bereits in fr{\"u}heren numerischen Untersuchungen erfolgreich angewendet. Die Modellierung der Turbulenz f{\"u}r den Fall des Teilchentransports erfolgt in dieser Arbeit erstmalig auf Grundlage der magnetohydrodynamischen Gleichungen. Dabei handelt es sich um die mathematisch korrekte Wiedergabe der Magnetfeldturbulenz unterhalb der Ionen-Gyrofrequenz mit nur geringen numerischen Einschr{\"a}nkungen. Dar{\"u}ber hinaus erlaubt ein auf das physikalische Szenario anpassbarer Turbulenztreiber eine noch realistischere Simulation der Turbulenz. Durch diesen universell g{\"u}ltigen, numerischen Ansatz k{\"o}nnen f{\"u}r das zweite hier angegebene Hindernis jegliche k{\"u}nstlichen Annahmen vermieden werden. Die drei im Rahmen dieser Arbeit erstmals zusammengef{\"u}hrten Methoden (Testteilchen, magnetohydrodynamische Turbulenz, Turbulenztreiber) erm{\"o}glichen somit eine Untersuchung und Analyse von Transport- und Turbulenzph{\"a}nomenen mit herausragender Qualit{\"a}t, die insbesondere f{\"u}r den Fall des Teilchentransports einen direkten Anschluss an experimentelle Ergebnisse erm{\"o}glichen. Wichtige Ergebnisse im Rahmen dieser Arbeit sind: - der Nachweis der Drei-Wellen-Wechselwirkung f{\"u}r schwache und einsetzende starke Turbulenz. - eine Analyse der Anisotropie der Turbulenz im Bezug auf das Hintergrundmagnetfeld in Abh{\"a}ngigkeit vom Treibmodell. Insbesondere die Anisotropie ist experimentell bislang kaum erfassbar. - eine Untersuchung der Auswirkung der Gyroresonanzen auf die Diffusionskoeffizienten hochenergetischer solarer Teilchen in allgemeiner Form. - die Simulation des Teilchentransports in der Heliosph{\"a}re auf Grundlage experimenteller Messdaten. Die genauere Analyse der Simulationsergebnisse erm{\"o}glicht insgesamt einen Zugang zum Verst{\"a}ndnis des Transports, der durch experimentelle Untersuchungen nicht erfassbar ist. Bei der Simulation wurden lediglich die Magnetfeldst{\"a}rke sowie die untersuchte Teilchenenergie vorgegeben. Aus der Analyse der Simulationsergebnisse ergibt sich dieselbe mittlere freie Wegl{\"a}nge, wie sie auch durch andere Verfahren direkt aus den Messergebnissen gewonnen werden konnte. Auch die vorwiegende Ausrichtung der hochenergetischen Teilchen parallel und antiparallel zum Hintergrundmagnetfeld in der Simulation entspricht experimentellen Untersuchungen. Es zeigt sich, dass diese allein aus den resonanten Streuprozessen der Teilchen mit den Magnetfeldern resultiert. Des Weiteren werden die Art der Diffusion, der Energieverlust der Teilchen w{\"a}hrend des Transportprozesses sowie die G{\"u}ltigkeit der quasilinearen Theorie untersucht.},
  subject      = {Sonnenwind},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Burkart2010,
  author    = {Burkart, Thomas},
  title     = {Der Einfluss des fundamentalen Massenverh{\"a}ltnisses auf die Teilchenbeschleunigung durch Plasmainstabilit{\"a}ten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56636},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dreidimensionaler vollrelativistischer und parallelisierter Particle-in-Cell Code geschrieben, ausf{\"u}hrlich getestet und angewandt. Der Code ACRONYM ist variabel einsetzbar und von der Genauigkeit und Stabilit{\"a}t her State-of-the-Art und somit konkurrenzf{\"a}hig zu den sonstigen in der Astrophysik eingesetzten Codes anderer Gruppen. Die Energie bleibt bis auf einen Fehler von < 0.03\% erhalten, die Divergenz des Magnetfeldes bleibt immer unter einem Wert von 10^{-12} und die Skalierung wurde mittlerweile bis zu einem Clustergr{\"o}ße von einigen 10000 CPUs getestet. In dieser Arbeit wurde dann, nach der Entwicklung des Codes, der Einfluss des fundamentalen Massenverh{\"a}ltnisses m_p/m_e auf die Teilchenbeschleunigung durch Plasmainstabilit{\"a}ten untersucht. Dies ist relevant und wichtig, da in PiC-Simulationen in den allermeisten F{\"a}llen nicht mit dem realen Massenverh{\"a}ltnis gerechnet wird, da sonst viel zu viel Rechenleistung ben{\"o}tigt w{\"u}rde, um zu sehen, was mit den Protonen geschieht und was ihr Einfluss auf die leichten Teilchen wie Elektronen und Positronen ist. Zu diesem Zweck wurden Simulationen mit Massenverh{\"a}ltnissen zwischen m_p/m_e = 1.0 und 200.0 durchgef{\"u}hrt. Diese haben alle gemeinsam, dass periodische Randbedingungen verwendet wurden und das zur Verf{\"u}gung stehende Simulationsgebiet mit jeweils zwei gegeneinander str{\"o}menden Plasmapopulationen vollst{\"a}ndig gef{\"u}llt wurde, um jegliche Art von auftretenden Schocks auszuschließen. Die Rohdaten der einzelnen Simulationen wurden auf vielf{\"a}ltige Art und Weise analysiert, es wurden z.B. Schnitte durch die Teilchenverteilung erstellt, sowie ein- oder zweidimensionale Histogramme und Energieverl{\"a}ufe betrachtet. Dabei haben sich folgende Kernpunkte ergeben: F{\"u}r Massenverh{\"a}ltnisse bis etwa m_p/m_e = 20 bildet sich die gesamte Zweistrom-Instabilit{\"a}t in nur einer Phase aus, das heißt, es bilden sich von ringf{\"o}rmigen Magnetfeldern umgebene Flussschl{\"a}uche aus, die dann verschmelzen, bis nur noch zwei {\"u}brig sind und alle Teilchen werden {\"u}ber den gesamten Verlauf der Instabilit{\"a}t beschleunigt. Es ist damit zu folgern, dass die unterschiedlich schweren Teilchenspezies Protonen und Elektronen/Positronen durch die relativ nahe beieinander liegenden Massen noch so stark gekoppelt sind, dass sich nur eine Instabilit{\"a}t entwickeln kann. Bei großen Massenverh{\"a}ltnissen (m_p/m_e > 20) ist eine deutliche Trennung in zwei Phasen der Instabilit{\"a}t zu erkennen. Zuerst bilden sich wiederum Flussschl{\"a}uche aus, diese verschmelzen miteinander (zu zweien oder mehr), bevor der erste Teil der Instabilit{\"a}t abflaut. Anschließend entstehen wieder ringf{\"o}rmige Magnetfelder und Flussschl{\"a}uche, von denen einer meist deutlich st{\"a}rker ist als all die anderen, das bedeutet, dass dieser von st{\"a}rkeren Magnetfeldern umgeben ist und eine h{\"o}here Teilchendichte aufweist. Im Rahmen dieser zweigeteilten Instabilit{\"a}t werden die Elektronen und Positronen nur in der ersten Phase signifikant beschleunigt, die deutlich schwereren Protonen gewinnen {\"u}ber den gesamten Zeitraum Energie. Die h{\"o}chstenergetischen Teilchen erreichen im Ruhesystem der jeweiligen Plasmapopulation Werte um gamma = 250. Man kann daraus f{\"u}r zuk{\"u}nftige Untersuchungen mit Hilfe von Particle-in-Cell Codes den Schluss ziehen, dass R{\"u}ckschl{\"u}sse auf das tats{\"a}chliche Verhalten beim realen Massenverh{\"a}ltnis von m_p/m_e = 1836.2 nur aus den Simulationen mit m_p/m_e >> 20 gezogen werden k{\"o}nnen, da die starke Kopplung der leichten und schweren Teilchen bei kleineren Massenverh{\"a}ltnissen die Ergebnisse sehr stark beeinflusst. Es wurde anhand der gemessenen Zeitpunkte der Instabilit{\"a}tsmaxima eine Extrapolation durchgef{\"u}hrt, die zeigt, dass die Instabilit{\"a}t beim realen Massenverh{\"a}ltnis etwa bei t = 1400 omega_{pe}^{-1} auftreten w{\"u}rde. Um dies wirklich zu simulieren m{\"u}sste allerdings mehr als die 1000-fache Anzahl an CPU-Stunden aufgewandt werden. Des weiteren wurde eine Maxwell-J{\"u}ttner-Verteilung an die Teilchenverteilungen der einzelnen Simulationen auf dem H{\"o}hepunkt der Instabilit{\"a}t gefittet, um sowohl die neue Temperatur des Plasmas als auch die Beschleunigungseffizienz des Prozesses zu berechnen. Die Temperatur erh{\"o}ht sich demnach durch die Instabilit{\"a}t von etwa 10^8K auf 10^{10} bis 10^{11}K, der Anteil suprathermischer Teilchen betr{\"a}gt 2 bis 4\%.},
  subject      = {Astrophysik},
  language  = {de}
}
@phdthesis{HoehneMoench2010,
  author    = {H{\"o}hne-M{\"o}nch, Daniel},
  title     = {Steady-state emission of blazars at very high energies},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-53700},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {One key scientific program of the MAGIC telescope project is the discovery and detection of blazars. They constitute the most prominent extragalactic source class in the very high energy (VHE) Gamma-ray regime with 29 out of 34 known objects (as of April 2010). Therefore a major part of the available observation time was spent in the last years on high-frequency peaked blazars. The selection criteria were chosen to increase the detection probability. As the X-ray flux is believed to be correlated to the VHE Gamma-ray flux, only X-ray selected sources with a flux F(X) > 2 μJy at 1 keV were considered. To avoid strong attenuation of the Gamma-rays in the extragalactic infrared background, the redshift was restricted to values between z < 0.15 and z < 0.4, depending on the declination of the objects. The latter determines the zenith distance during culmination which should not exceed 30° (for z < 0.4) and 45° (for z < 0.15), respectively. Between August 2005 and April 2009, a sample of 24 X-ray selected high-frequency peaked blazars has been observed with the MAGIC telescope. Three of them were detected including 1ES 1218+304 being the first high-frequency peaked BL Lacertae object (HBL) to be discovered with MAGIC in VHE Gamma-rays. One previously detected object was not confirmed as VHE emitter in this campaign by MAGIC. A set of 20 blazars previously not detected will be treated more closely in this work. In this campaign, during almost four years ~ 450 hrs or ~ 22\% of the available observation time for extragalactic objects were dedicated to investigate the baseline emission of blazars and their broadband spectral properties in this emission state. For the sample of 20 objects in a redshift range of 0.018 < z < 0.361 integral flux upper limits in the VHE range on the 99.7\% confidence level (corresponding to 3 standard deviations) were calculated resulting in values between 2.9\% and 14.7\% of the integral flux of the Crab Nebula. As the distribution of significances of the individual objects shows a clear shift to positive values, a stacking method was applied to the sample. For the whole set of 20 objects, an excess of Gamma-rays was found with a significance of 4.5 standard deviations in 349.5 hours of effective exposure time. For the first time a signal stacking in the VHE regime turned out to be successful. The measured integral flux from the cumulative signal corresponds to 1.4\% of the Crab Nebula flux above 150 GeV with a spectral index α = -3.15±0.57. None of the objects showed any significant variability during the observation time and therefore the detected signal can be interpreted as the baseline emission of these objects. For the individual objects lower limits on the broad-band spectral indices αX-Gamma between the X-ray range at 1 keV and the VHE Gamma-ray regime at 200 GeV were calculated. The majority of objects show a spectral behaviour as expected from the source class of HBLs: The energy output in the VHE regime is in general lower than in X-rays. For the stacked blazar sample the broad-band spectral index was calculated to αX-Gamma = 1.09, confirming the result found for the individual objects. Another evidence for the revelation of the baseline emission is the broad-band spectral energy distribution (SED) comprising archival as well as contemporaneous multi-wavelength data from the radio to the VHE band. The SEDs of known VHE Gamma-ray sources in low flux states matches well the SED of the stacked blazar sample.},
  subject      = {MAGIC-Teleskop},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Paul2010,
  author    = {Paul, Surajit},
  title     = {Evolution of shocks and turbulence in major galaxy-cluster mergers},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-47266},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Mergers between rich clusters of galaxies represent the most violent events in the Universe. The merger events initiate a complex chain of processes that leads to the dissipation of the collisional energy. This phase of violent relaxation is accompanied by turbulence and shock waves as well as non-thermal particle acceleration. This thesis aims at the interpretation of multi-wavelength observations of the merging cluster of galaxies Abell 3376 in the framework of a theoretical model of the involved effects. Observations with the Very Large Array radio interferometer were carried out and analyzed to clarify the morphology of the non-thermal particle distribution in Abell 3376, in particular about the shocked regions. The dissipation in the hot intra-cluster gas was studied using archival X-ray observations with ROSAT and XMM. Results were compared with constrained numerical simulations of the evolution of the merger process in the framework of cosmological structure formation. For this purpose, the ENZO-Code was employed for the computation of the gas dynamics and self-gravity of the colliding mass distribution. The non-thermal properties of the intra-cluster gas could be indirectly inferred from the local Mach number and the strength of the turbulence.},
  subject      = {Galaxienhaufen},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hupp2008,
  author    = {Hupp, Markus},
  title     = {Simulating Star Formation and Turbulence in Models of Isolated Disk Galaxies},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-34510},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {We model Milky Way like isolated disk galaxies in high resolution three-dimensional hydrodynamical simulations with the adaptive mesh refinement code Enzo. The model galaxies include a dark matter halo and a disk of gas and stars. We use a simple implementation of sink particles to measure and follow collapsing gas, and simulate star formation as well as stellar feedback in some cases. We investigate two largely different realizations of star formation. Firstly, we follow the classical approach to transform cold, dense gas into stars with an fixed efficiency. These kind of simulations are known to suffer from an overestimation of star formation and we observe this behavior as well. Secondly, we use our newly developed FEARLESS approach to combine hydrodynamical simulations with a semi-analytic modeling of unresolved turbulence and use this technique to dynamically determine the star formation rate. The subgrid-scale turbulence regulated star formation simulations point towards largely smaller star formation efficiencies and henceforth more realistic overall star formation rates. More work is necessary to extend this method to account for the observed highly supersonic turbulence in molecular clouds and ultimately use the turbulence regulated algorithm to simulate observed star formation relations.},
  subject      = {Astrophysik},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Maier2008,
  author    = {Maier, Andreas},
  title     = {Adaptively Refined Large-Eddy Simulations of Galaxy Clusters},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-32274},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {It is aim of this work to develop, implement, and apply a new numerical scheme for modeling turbulent, multiphase astrophysical flows such as galaxy cluster cores and star forming regions. The method combines the capabilities of adaptive mesh refinement (AMR) and large-eddy simulations (LES) to capture localized features and to represent unresolved turbulence, respectively; it will be referred to as Fluid mEchanics with Adaptively Refined Large-Eddy SimulationS or FEARLESS.},
  subject      = {Turbulenz},
  language  = {en}
}