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Bachelorarbeiten
an der Universitäts-Sternwarte
Einige Bachelorarbeiten können auch umfangreicher gestaltet werden und dann an zwei Studenten vergeben werden, die das Projekt gemeinsam bearbeiten.
1. Instrumentierungs- und Beobachtungsprojekte
Wir bieten jederzeit auch andere Themen an.
Schreiben Sie einfach eine Email und beschreiben Sie Ihre Interessen
und Erfahrungen.
Diese Bachelorarbeit setzt Interesse an elektronischen Schaltungen
voraus. Im Rahmen des Baus des MICADO-Instruments für das
39-m-EELT-Teleskop in Chile sind diverse Mechanismen und elektronische
Steuerungskomponenten zu bauen und zu testen. Technologien und
Mechanismen müssen bei Raumtemperatur an der USM getestet
werden. Die Arbeit umfasst die Durchführung und Dokumentation
von Tests diverser motorisierter und sensorischer Hardware bei
Raumtemperatur zur Vorbereitung auf Tests bei 80 K in unserem
Kryostaten. Hierzu gehört beispielsweise auch die Automatisierung
von Testständen in den Laboren der Sternwarte. Es werden sowohl
komplett selbst entwickelte Elektronikkomponenten verwendet, als
auch industrielle Standardtechnologien wie CAN-BUS-Controller und
SPS-Steuerungen (Vorwissen wünschenswert aber nicht notwendig).
Zusätzlich kann je nach genauem Thema ein rein astrophysikalisches
Beobachtungs- und/oder Datenauswertungsprojekt in Zusammenarbeit mit
dem Wendelstein-Observatorium absolviert werden.
2. Sterne und Planeten
Die Entwicklung massereicher Sterne ist in vielen Phasen
(sogar relativ nahe der zero age main sequence – ZAMS)
noch nicht oder nur unzureichend verstanden, hauptsächlich
aufgrund der Effekte von Massenverlust und Rotation, und weil
in herkömmlichen Rechnungen mehrdimensionale Effekte
oftmals durch simple 1-D Diffusionsansätze genähert werden.
Deshalb versucht unsere Arbeitsgruppe (international vernetzt),
mit Hilfe der sog. quantitativen Spektroskopie die Vorhersagen
solcher Sternentwicklungsrechnungen zu überprüfen und
ggf. die Gültigkeitsbereiche einzuschränken.
Um selber entsprechende Rechnungen und Tests durchzuführen,
hat sich in letzter Zeit der open-source Sternentwicklungscode MESA
als vorzügliches Arbeitsmittel herausgestellt.
Ziel der Bachelorarbeit ist es, zum einen mit Hilfe dieses Codes
Entwicklungswegrechnungen für verschiedene Massenbereiche
durchzuführen und die Ergebnisse mit alternativen Rechnungen,
basierend auf anderen Codes, zu vergleichen.
Zum anderen sollen entsprechende Adapter entwickelt werden, die
es ermöglichen, den vielfältigen Output schnell und
übersichtlich zu visualisieren.
Projekt 2.2:
Weiterentwicklung eines Programmpaketes zur automatischen Analyse von stellaren Spektren massereicher Sterne
(J. Puls uh101aw@usm.lmu.de)
Um den tatsächlichen Status und die Entwicklung massereicher
Sterne und ihre Wechselwirkung mit der Umgebung zu verstehen und
zu quantifizieren, untersucht man diese Sterne mit den Methoden
der sog. quantitativen Spektroskopie, d. h., man vergleicht
beobachtete und synthetische Spektren.
Letztere werden dabei mit Hilfe numerischer
Sternatmosphärenmodelle gewonnen.
Da in den letzten Jahren große Stichproben massereicher
Sterne spektroskopiert wurden, ist eine automatische Analyse
unumgänglich.
Unsere (international vernetzte) Arbeitsgruppe benutzt dazu umfassende
Gitter von Atmosphärenmodellen, und die Sternparameter werden aus
einem besten Fit von synthetischen und beobachteten Spektren erzielt.
Die grundsätzlichen Methoden dazu wurden bereits entwickelt,
allerdings werden die a-posteriori-Verteilungen der Parameter noch
nicht ausreichend beschrieben.
Ziel der Bachelorarbeit ist es, die bestehenden Codes mit einer
MCMC-Methode (Markov Chain Monte Carlo) zu verknüpfen,
um solch eine Verteilung abzuleiten.
Programmiererfahrung und Python-Kenntnisse wären von Vorteil.
Projekt 2.3:
Die Zukunft der Astronomie – neue Teleskope für die Entdeckung und Charakterisierung von Exoplaneten
(R. Saglia saglia@mpe.mpg.de)
Exoplaneten sind ein aktives Forschungsgebiet und eine neue Generation
von Teleskopen wird derzeit entwickelt, um verschiedene Aspekte von
ihnen zu untersuchen oder zusätzliche Planeten zu entdecken.
Ziel dieser Arbeit ist, einen Überblick über die bereits
in der Planung befindlichen Teleskope und somit einen Ausblick auf
die zukünftige Entwicklung der Beobachtungen zu geben.
Projekt 2.4:
Die statistische Verteilung von Planeten – ein Überblick
(R. Saglia saglia@mpe.mpg.de)
Seit der ersten Entdeckung eines Exoplaneten um einen Hauptreihenstern
im Jahr 2000 gibt es eine jährlich stark anwachsende Zahl
von Entdeckungen verschiedener Planetentypen unter Verwendung von
verschiedenen Methoden.
Aufgrund der mittlerweile enormen Menge von mehreren Tausend bekannten
Planeten ist es nun möglich, statistische Aussagen über
die Häufigkeit von Planetentypen in Abhängigkeit vom Sterntyp
und Umlaufbahn zu treffen.
Ziel dieser Arbeit ist, die derzeitigen Kenntnisse zusammenzufassen,
die verschiedenen Detektionsmethoden zu erläutern und die,
eventuell voneinander abweichenden, Ergebnisse zu diskutieren.
Projekt 2.5:
Der Rossiter-McLaughlin Effekt – Vermessung von Sternrotationen mithilfe von Transits
(R. Saglia saglia@mpe.mpg.de)
Der Rossiter-McLaughlin Effekt (RME) ist schon seit Jahrzehnten
bekannt und wurde ursprünglich bei sich bedeckenden Doppelsternen
entdeckt.
In den letzten Jahren jedoch konnte dieser Effekt erstmals bei Planeten
nachgewiesen werden und erlaubt es, die Rotation des Heimatsterns
relativ zum Planeten zu bestimmen.
Als eines von wenigen Observatorien wird der Wendelstein ab
nächstem Jahr mit dem FOCES-Instrument in der Lage sein, diesen
Effekt zu messen.
Ziel dieser Arbeit ist, den RME durch Literaturarbeit zu beschreiben
und die aktuellen Ergebnisse, und die daraus folgenden interessanten
Konsequenzen für die Planetenentstehung, zusammenzufassen.
Projekt 2.6:
Supererden – Eigenschaften und Häufigkeiten
(R. Saglia saglia@mpe.mpg.de)
Supererden, Felsplaneten mit Radien von mehr als dem zweifachen der
Erde, sind in unserem Sonnensystem komplett unbekannt und stellen
eine neue Population von Planeten dar.
Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung dieser Population, wobei auch
auf die Detektionsmethoden von Exoplaneten eingegangen werden sollte,
und eine Studie ihrer Verbreitung.
Die Ergebnisse der Forschung der letzten Jahre, in denen sich die
Kenntnisse rapide vergrößert haben, sollen zusammengefasst
werden.
Es wird angenommen, dass sich Planetesimale in gasförmigen
Scheiben um junge Sterne bilden, wobei jedoch die Details nicht
vollständig verstanden sind.
Eine interessante Möglichkeit wäre, dass Planetesimale
tatsächlich nur unter besonderen Umständen von Grund auf
entstehen und die meisten Sterne einfach die interstellaren Objekte
in ihrer Gasscheibe einfangen, was wiederum dann die Bildung weiterer
Planetesimale aus festen Material in der Scheibe auslöst.
Das Ziel des Projektes wäre die Anzahl solcher eingefangener
Objekte einzuschätzen.
Je nach Interessensausrichtung des/der Studenten/in könnte dies
entweder mit Hilfe eines analytischen Modells der zeitabhängigen
Gravitationspotentialquelle des jungen Sterns abgeschätzt, oder
numerisch durch Analyse des Gravitationspotentials des Gases in einer
Simulation berechnet werden.
Kleine Feststoffpartikel im Raum (kosmischer Staub) könnten
infolge von Drehmomenten, die sich aus der asymmetrischen
Partikelstruktur und/oder dem anisotropen Strahlungsfeld ergeben,
aufgewirbelt werden.
Eine These ist, dass sich die Partikel so schnell drehen, dass sie
durch die Zentrifugalkraft auseinandergerissen werden könnten.
Für dieses Projekt sollte der/die Studenten/in die
zugehörige Literatur lesen, um ein Verständnis für die
Größenverteilung und Lebensdauer der Partikel zu entwickeln,
aus denen die interplanetare Staubwolke besteht.
Diese Informationen könnte man dann mit bestehenden Modellen
der Partikelfragmentation kombinieren, um festzustellen, ob
die zentrifugale Zerreissung eine Rolle bei der Gestaltung der
Staubpopulation in unserem Sonnensystem spielt.
In dichten ISM-Regionen bilden Staubpartikel eine
Oberflächenschicht (Mantel) aus Eis.
Die Dicke dieses Mantels wird durch Konkurrenz zweier Prozesse
bestimmt:
zum einen der Akkretion aus dem umliegenden Gas und zum anderen der
Ablösung als Folge der Erwärmung nach dem Durchgang von
hochenergetischen geladenen Teilchen (kosmische Strahlung).
Wir konnten kürzlich zeigen, dass das Gleichgewicht dieser
Prozesse von der Teilchengröße abhängt und das Ziel ist
nun, das Mantelwachstum in verschiedenen interstellaren Umgebungen
zu erforschen.
Wir suchen eine/n Studenten/in, der/die das Mantelwachstum in
verschiedenen Umgebungen mit Hilfe eines bestehenden Codes untersucht
und bestimmt, wie sich die Manteldicke in Abhängigkeit von der
Staubgrößenverteilung verändert.
Dichtes Gas in Sternentstehungsgebieten wird überwiegend durch
kosmische Strahlung aufgeheizt.
Ein bedeutender Teil der Erwärmung geht auf
Sekundärelektronen zurück – die Elektronen, die entstehen,
wenn ein primäres kosmisches Strahlungsteilchen ein Elektron
aus einem Molekül herausstößt.
Wir haben kürzlich das Energiespektrum solcher Elektronen
berechnet.
Diese Elektronen verlieren ihre Energie auf verschiedene Weisen,
von denen einige das Gas und andere den Staub erwärmen.
Wir suchen eine/n Studenten/in, der/die anhand verfügbarer
Modelle für verschiedene Energieverlustprozesse berechnen soll,
welcher Anteil der Energie für die Erwärmung des Gases
aufgewendet wird.
Die verfügbaren Daten ermöglichen es uns, ein Modell der
Dichteverteilung in einem Filament aus dichtem Gas zu erstellen,
das sich in einer nahe gelegenen Sternentstehungsregion befindet.
Diese Daten umfassen auch Messungen der Emission von zwei verschiedenen
Rotationsebenen von Ammoniakmolekülen, die zur Bestimmung der
Gastemperatur verwendet werden könnten.
Wir suchen eine/n Studenten/in, der/die das Modell der Gasdichte
in Kombination mit einem einfachen Modell der räumlichen
Veränderung der Gastemperatur verwendet und dieses mit der
gemessenen Ammoniakemission vergleicht.
Diese Arbeit würde uns helfen, eine neuere Theorie zu testen,
nach der junge Sterne als Quellen kosmischer Strahlung wirken, die
das nahe gelegene Gas erwärmen könnten.
3. Galaxien und AGN
Alle Galaxien sind magnetisiert. Woher kommen galaktische
Magnetfelder, wie werden sie aufrechterhalten und welche Struktur
haben sie? Das sind die Fragen die uns umtreiben. Innerhalb der
Arbeit soll mit analytischen Rechnungen ein Modell zur Verstärkung
galaktischer Magnetfelder entwickelt werden.
Projekt 3.2:
Zur Ausbreitung kosmischer Strahlung in der Milchstraße
(H. Lesch lesch@usm.lmu.de)
Die kosmische Strahlung stellt einen leichten, aber sehr druckvollen
Anteil des interstellaren Mediums dar. Durch ihre Druckwirkung auf
die Magnetfelder kann sie erheblich zum galaktischen Dynamo beitragen.
In diesem Projekt sollen die Eigenschaften galaktischer kosmischer
Strahlung und ihr Einfluss auf die Gamma-Emission untersucht werden.
Wie wird das Alter einer Galaxie gemessen? Ziel dieser Arbeit ist die
Beschreibung der Methoden zur Altersbestimmung vor Galaxien und ihrer
Unsicherheiten. Wenn die Zeit reicht, kann man selber versuchen, aus
vorhanden Spektren das Alter von ausgewählten Galaxien zu messen.
Die Modellierung von dreidimensionalen Galaxien wird oft mit der
Schwarzschild-Methode durchgeführt. Man rechnet Sternbahnen
in einem gegebenen Gravitationspotential und findet die optimale
Mischung, die die gemessenen Daten am besten reproduzieren kann. Die
Modellierung von Galaxien mit Scheiben, die fast zweidimensional
sind, mit derselben Methode stellt Fragen, die noch ungelöst
sind. Wie optimiert man die Berechnung des Potentials? Wie bestimmt
man die richtige Regularisierung (d. h. die Glättung)
der Lösung? Wie gut ist die Methode für realistische
Galaxien? Während der Arbeit werden Lösungen zu diesen
Fragen getestet und implementiert.
Projekt 3.5:
Massenbestimmung von supermassereichen schwarzen Löchern in Galaxienzentren
(R. Saglia saglia@usm.lmu.de)
Wie werden die Massen von supermassereichen schwarzen Löchern in
den Zentren von Galaxien gemessen? Wie gut sind sie? Wieviel Masse
steckt insgesamt in diesen supermassereichen schwarzen Löchern? Die
Ergebnisse der Forschung der letzten Jahren sollten zusammengefasst
werden.
4. Kosmologie, großräumige Strukturen und Gravitationslinsen
Projekt 4.1:
Entfernungen zu Supernovae in verschiedenen kosmologischen Modellen
(J. Weller weller@usm.lmu.de)
Für verschiedene Friedmann-Modelle sollen die Beziehung zwischen
Entfernung und Rotverschiebung abgeleitet werden. Durch Vergleich mit
Supernova-Daten sollen daraus Randbedingungen an die kosmologischen
Parameter abgeleitet werden. Dies wird mit Hilfe sogenannter
Monte-Carlo-Markov-Ketten analysiert. Wenn die Zeit reicht, kann die
Analyse auf Modelle mit extra Dimensionen ausgeweitet werden.
Eine Galaxie ändert ihre Größe im Laufe ihres
Lebens. Ziel dieser Arbeit ist die Zusammenfassung der Ergebnisse
die in den letzten Jahren publiziert worden sind. Wie wird die
Größe einer Galaxie gemessen? Wie schnell ändert
sich die Größe einer Galaxie mit der Zeit? Gibt es eine
Abhängigkeit von der Masse der Galaxie? Warum ändert sich
die Größe einer Galaxie mit der Zeit?
Projekte in der physikalische Kosmologie Gruppe (Jochen Weller et al.)
5. Astrophysik und Kosmologie mit Machine Learning
Wir bieten jederzeit verschiedene Machine Learning (ML) Bachelorarbeiten an,
z.B. photometrische Rotverschiebungen mit ML, statistische Beschreibungen
von Galaxienhaufen mit ML, Identifikation von seltenen (z.B. gelinsten)
oder ‘komischen’ Objekten mit ML.
Wir bieten auch Themen an, die Convolutional Neural Networks (CNN)
in Astrophysik und Kosmologie benutzen.
6. Numerische und theoretische Astrophysik
Die Forschung in der Computational Astrophysics Group (CAST) reicht
von der theoretischen Untersuchung der Stern- und Planetenentstehung
bis zur Untersuchung von Prozessen auf kosmologischer Ebene.
Eine Vielzahl verschiedener, bekannter numerischer Codes (wie etwa
Ramses, Gadget, Sauron, Gandalf, Mocassin und andere) wird verwendet.
Primäre Untersuchungen befassen sich mit der Entstehung,
der Struktur und der Entwicklung protoplanetarischer Scheiben,
der Entstehung planetarischer Bausteine und Planeten, der Beziehung
zwischen Turbulenz und Phasenübergängen im mehrphasigen
interstellaren Medium (ISM), energetischen Rückkopplungsprozessen,
Molekülwolken- und Sternentstehung in Galaxien, sowie
kosmologischer Struktur- und Galaxienentstehung und dem Zusammenspiel
von Rückkopplungsprozessen, AGN und Galaxienentwicklung und
deren Einfluss auf das intergalaktische Medium (IGM) oder das
Inter-Cluster-Medium (ICM).
So untersucht unsere Gruppe astrophysikalische Prozesse auf
räumlichen Skalen von mehr als 14 Größenordnungen,
von Gigaparsec-Skalen kosmologischer Strukturen bis hinunter
zu Sub-AU-Skalen von Staubkörnern in protoplanetarischen
Scheiben.
Es ist mittlerweile klar, dass kleinräumige Prozesse wie
die Kondensation von Molekülwolken zu Sternen, Magnetfelder und
die Details des Wärmetransports, sowie großräumige
Prozesse wie der Gaseinfall aus dem kosmischen Netzwerk in Galaxien
und Umgebung eng miteinander gekoppelt sind und gemeinsam untersucht
werden müssen.
Die verschiedenen bisherigen und laufenden Projekte innerhalb der
CAST-Gruppe decken eine Verbindung zwischen den verschiedenen
räumlichen Skalen ab und tragen zum Verständnis
wichtiger Aspekte der Entstehung und Entwicklung von Sternen und
protoplanetarischen Scheiben, zentralen Schwarzen Löchern und
AGNs, Sternentstehungsgebieten und dem ISM, Galaxien und deren IGM,
Galaxienhaufen und dem ICM sowie der großräumigen Strukturen
im Universum bei.
Sie treiben auch die kontinuierliche Entwicklung und Anwendung
neuer numerischer Methoden und der nächsten Generation von
Multi-Skalen-Codes im Rahmen der numerischen Astrophysik voran.
Bisherige und aktuelle Master- und Bachelorarbeiten wurden
stets unter Berücksichtigung der individuellen Stärken und
Interessen der Studierenden angeboten und decken verschiedene Bereiche
der numerischen und theoretischen Astrophysik ab:
- Bildung großräumiger kosmologischer Strukturen
(Halos aus dunkler Materie, Galaxien, Galaxienhaufen, der Einfluss
von Schwarzen Löchern, Magnetfeldern und nicht-thermischen
Teilchen)
- Entwicklung und Struktur des turbulenten interstellaren Mediums
(ISM-Physik, selbstregulierende Sternentstehung, Entstehung von
Molekülwolken, Magnetfelder)
- Physik der Galaxienkerne (aktive Galaxienkerne, Herkunft und
Natur der Gaswolke G2 in der Nähe des galaktischen Zentrums)
- Entstehung von Planeten, Sternen und Sternhaufen (Sterne und ihr
Einfluss auf die umgebende protoplanetarische Scheibe, interstellare
Materie, Strahlungstransport, Dynamik von Teilchen und Planeten in
protoplanetarischen Scheiben)
- Anwendung und Entwicklung von numerischen Werkzeugen auf
parallelen CPUs und GPUs und Visualisierung (teilchenbasierte
SPH/N-Körper, Grid-basierte,
Moving-Mesh- oder Meshless-Methoden)
Ausführlichere Informationen zu
laufenden und abgeschlossenen Projekten
sowie weiterführende Informationen zur laufenden Forschung
finden Sie auf den Webseiten der
Arbeitsgruppe Computational Astrophysics.
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