Universitäts-Sternwarte München

Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität

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an der Universitäts-Sternwarte

Masterarbeitsthemen des Extragalaktischen Astronomie Lehrstuhls über Machine Learning, instrumentelle und Beobachtungsprojekte (Wendelstein), über Sterne und Planeten, Galaxien, Gravitationslinsen und Kosmologie finden Sie →hier.

1. Instrumentierungs- und Beobachtungsprojekte

C. Gössl (cag@usm.lmu.de), F. Grupp (frank@grupp-astro.de), A. Hess (achim@usm.lmu.de), F. Lang-Bardl (flang@usm.lmu.de), A. Monna (amonna@usm.lmu.de), K. Rozgonyi (Kristof.Rozgonyi@physik.lmu.de), J. Mohr (Joseph.Mohr@physik.lmu.de), A. Riffeser (arri@usm.lmu.de)
Projekt 1.1: Neuaufbau des 2,4 m Radioteleskops mit präziser Zielausrichung (26.4.2023) (Arno Riffeser, arri@usm.lmu.de)
Das Radioteleskop an der Universitäts-Sternwarte dient im Astro-Master-Praktikum zur Messung der Rotation der Milchstrasse aus der Dopplerverschiebung der 21cm Wasserstoff-Linie. Durch die neue Teleskophalterung soll die Zielausrichtung auf 0.1 Grad erhöht werden und HI-Wolken reproduzierbar wiedergefunden werden. Für eine grosse Anzahl von Messungeng soll getestet werden, ob durch Dekonvolution einer Gaussschen Verbreiterung die Auflösung erhöht werden kann. Gute Python-Kenntnisse sind wünschenswert.
Projekt 1.2: Modelling the “smeared” primary beam for MeerKAT interferometric on-the-fly (OTF) observations (K. Rozgonyi Kristof.Rozgonyi@physik.lmu.de, J. Mohr Joseph.Mohr@physik.lmu.de)
With the upcoming Square Kilometre Array (SKA) and its precursor telescopes, radio astronomy is undergoing a renaissance. New algorithms, data reduction methods and survey modes are actively developed to handle the EB-scale raw data streams produced and to utilise the full potential of these new instruments. As part of a large collaboration, our group at LMU is developing commensal line intensity mapping and interferometric imaging using scanning observations. Such interferometric scanning or on-the-fly (OTF) observations are increasing the survey speed by removing the settle-and-slew overhead while also enabling commensal single-dish intensity mapping, providing a dramatic improvement in data acquisition efficiency. However, the scanning motion of the antennae pointing relative to the delay centre introduces smearing effects that need to be corrected in the imaging process. In particular, the smearing of the primary beam (PB) response introduces flux-density errors in the interferometric images. This project aims to model the smeared PB by measuring the flux-density variation of thousands of sources detected in our pilot MeerKAT OTF observations. The developed PB models and software will be incorporated into our OTF imaging pipeline, which we will use to reduce 100+ hours of MeerKAT OTF data observed in the upcoming year by our collaboration.

2. Sterne und Planeten

T. Preibisch (preibisch@usm.lmu.de), J. Puls (uh101aw@usm.lmu.de), R. Saglia (saglia@mpe.mpg.de), A. Ivlev (ivlev@mpe.mpg.de)
Projekt 2.1: Multi-Wellenlängen-Beobachtungen von Sternentstehungsregionen (T. Preibisch preibisch@usm.lmu.de)
In Rahmen von laufenden Forschungsprojekten können bestimmte Teilaspekte bearbeitet werden, z. B. die Korrelation von Objektlisten in verschiedenen Wellenlängenbereichen (vom Röntgenlicht bis hin zum sub-mm-Bereich).

3. Galaxien und AGN

Projekt 3.1: Die Modellierung der Dynamik von stellaren Scheiben (R. Saglia saglia@usm.lmu.de, J. Thomas jthomas@mpe.mpg.de)
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 3.2: Studies of the impact of environment on galaxy and AGN evolution (M. Klein Matthias.Klein@physik.lmu.de, J. Mohr Joseph.Mohr@physik.lmu.de)
Astronomers noticed more than 100 years ago that the galaxy populations within dense galaxy clusters are different from those in the surrounding low-density field, but the underlying reasons remain unclear. Hierarchical structure formation leads dense clusters to form rather late in the Universe and to continue the accretion of surrounding material, including star forming spiral galaxies where through a range of processes they are transformed into ellipticals or S0s. Studies over the past decades have clarified the range of physical processes that are likely contributing to this transformation, and these include ram pressure stripping, mean field tidal stripping and galaxy merging, among others. We are using a new Sunyaev-Zel’dovich effect selected sample of galaxy clusters from SPT that extends to redshift z ~ 2 together with data from the DES, Spitzer, and Herschel to study these galaxy population transitions as a function of cosmic time. The goal of this project is to use the multi-band optical and IR photometry to identify cluster galaxies and study the transition in color and star formation rates as a function of radius from the cluster center as well as a function of cosmic time and cluster mass. Our dataset is uniquely suited for this study, because we have a well understood sample of clusters extending over a broad redshift range and a uniform photometric imaging dataset in the optical and IR over large areas of the sky.
Projekt 3.3: Exploring the dark side of galaxy formation and evolution using radio continuum data (J. Mohr Joseph.Mohr@physik.lmu.de)
Among the many facets under investigation of the galaxy formation and evolution puzzle, two old and still unanswered questions remain at the core of our incomplete picture:
  1. How do galaxies grow their stellar mass over cosmic time?

    Answering this question has proven difficult mainly because of the uncertainties in estimating the on-going star formation for large, representative galaxy samples. The easily accessible ultra-violet (UV) restframe emission, in principle a direct probe of the young short-lived massive stellar populations, is in fact measuring only the small fraction of that emission that has not been absorbed by the interstellar dust. It thus needs to be corrected by factors that, depending on the intrinsic galaxy properties, can vary by orders of magnitude.

  2. Why does star formation cease at a certain point during the galaxy life?

    In the last decade many studies have agreed in assigning a relevant role to nuclear activity (AGNs, due to massive black hole growth) in affecting the galaxy star formation histories (SFHs). In particular, once a major burst of star formation has eventually exhausted the gas inside the galaxy immediately available for star formation, the so-called “radio-mode feedback” is often invoked as preventing the gas in the outer galaxy halo from cooling and starting star formation again.

    Deep radio surveys, conducted in association with multi-wavelength observations, allow us to probe at the same time dust-unbiased star formation and nuclear activity, and hence have become a fundamental tool in the last decade for studying galaxy evolution. This master project will focus on already available JVLA radio continuum data in the deepest extra galactic fields in order to obtain a dust-unbiased view of star formation over cosmic time and a first-order estimate of radio-AGN feedback to be compared to theoretical model expectations at different redshifts and halo masses.

Projekt 3.4: Witnessing the last burst of star formation in a galaxy (K. George Koshy.George@physik.lmu.de)
The observed bimodal distribution of local Universe galaxies in star formation properties (from optical color-magnitude and stellar mass-star formation rate diagrams) is due to the process of star formation quenching, making once star forming spiral galaxies to non/little star forming elliptical/S0 galaxies. There are many possible processes responsible for this observed star formation quenching, among which ram-pressure stripping is the dominant mechanism in dense galaxy cluster environment. The hot (107 . . . 108 K) and dense (ne ~ 10−4 . . . 10−2 cm−3) intracluster medium can strip cold gas from the spiral galaxy disk, which eventually truncates star formation as the galaxy moves though the cluster environment. We have acquired ultraviolet data for a sample of galaxies undergoing ram-pressure stripping (with tentacles of star formation along the stripped tails with the galaxy disk resembling a jellyfish) where the ongoing truncation of star formation can be directly studied comparing with emission line diagnostic maps made from MUSE IFU data. This project involves studying the star formation progression in a galaxy undergoing ram-pressure stripping with indications of truncation along the galaxy disk. There are opportunities to collaborate with a larger team involved in multiwavelength analysis of jellyfish galaxies.

4. Kosmologie, großräumige Strukturen und Gravitationslinsen

Projekt 4.1: Vergleich von simulierten und beobachteten “red-sequence”-Galaxienhaufen (S. Seitz stella@usm.lmu.de, K. Dolag dolag@usm.lmu.de)
Der dominante Anteil von Galaxien in Galaxienhaufen sind “rote” Galaxien (S0 oder elliptische Galaxien), d. h. Galaxien ohne gegenwärtige Sternentstehung. Das führt dazu, dass sie sich im Farben-Magnituden-Raum auf der sogenannte “red sequence” befinden. In Multi-Band photometrischen Surveys (z. B. dem Dark Energy Survey DES) findet man Galaxienhaufen durch ihre red-sequence-Galaxienpopulation, und bestimmt ihre (photometrischen) Rotverschiebungen an Hand der Farben der red-sequence-Galaxien. Die Anzahl der roten Galaxien eines Galaxienhaufens wird benutzt um seine “Richness” festzulegen, eine Zahl, die stark mit der Gesamtmasse des Galaxienhaufens korreliert. Für viele Zwecke in der Kosmologie möchte man die in den Beobachtungen identifizierten Galaxienhaufen mit Galaxienhaufen, die numerisch im Kontext von Strukturbildung simuliert worden sind, vergleichen. Z. B. möchte man den genauen Zusammenhang zwischen Richness und Galaxienhaufenmasse und die zugehörige Streung wissen, oder man möchte wissen, wieviel dunkle Materie mit den einzelnen roten Galaxien assoziert ist (als Funktion ihrer Helligkeit und Position im Galaxienhaufen). Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, die Technik der Beobachter, Galaxienhaufen zu finden, auf simulierte Galaxienhaufen anwendbar zu machen, und Haufenkataloge mit Richness, roten Haufenmitgliedern und dunkle-Materie-Halo-Massen der individuellen Haufenmitglieder abzuleiten. Die Ergebnisse können dann mit den Ergebnissen aus den Beobachtungen verglichen werden, und es können die Ergebnisse von gegenwärtigen und zukünftigen Beobachtungen vorhergesagt werden.
Projekt 4.2: Mass calibration and cosmological study of X-ray and Sunyaev-Zel’dovich effect selected galaxy clusters using gravitational lensing (S. Bocquet Sebastian.Bocquet@physik.lmu.de, M. Klein Matthias.Klein@physik.lmu.de, J. Mohr Joseph.Mohr@physik.lmu.de)

One of the leading methods for studying the cosmic acceleration, measuring neutrino masses and directly measuring the growth rate of cosmic structures is through studies of the redshift and mass distribution of uniformly selected samples of galaxy clusters. A key element of these studies is constraining the masses of the galaxy clusters using information from weak gravitational lensing.

The goal of this project is to use the available weak gravitational lensing mass information from the Dark Energy Survey within samples of galaxy clusters selected from the South Pole Telescope Sunyaev-Zel’dovich effect survey or the RASS (and soon from eROSITA!) X-ray survey to study the cosmic acceleration, neutrino masses, and the growth rate of cosmic structures.

  • Understand the impact of surrounding large-scale structure and miscentering on the weak-lensing mass estimates of galaxy clusters. Application to real cluster sample with DES shear catalogs to constrain masses.
  • Understand the impact of contaminating impacts due to X-ray and radio AGN on the selection and cosmological analysis of galaxy cluster samples.
  • Measure correlations among cluster observables in the X-ray, SZE, and optical and study their impact on cosmological analyses.
Projekte in der Gruppe Astrophysik, Kosmologie und Künstliche Intelligenz (Daniel Grün et al.)
Projekte in der physikalische Kosmologie Gruppe (Jochen Weller et al.)

5. Numerische und theoretische Astrophysik

A. Burkert (burkert@usm.lmu.de), B. Ercolano (ercolano@usm.lmu.de), T. Birnstiel (til.birnstiel@lmu.de), K. Dolag (dolag@usm.lmu.de)

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.

astrophysikalische Prozesse auf räumlichen Skalen von mehr als 14 Größenordnungen

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.

6. Hochenergie-Astrophysik

Gayoung Chon (gchon@usm.lmu.de)
Projekt 6.1: Astrophysics with very-high-energy gamma-ray sources (Gayoung Chon gchon@usm.lmu.de, Razmik Mirzoyan Razmik.Mirzoyan@mpp.mpg.de, Hans Böhringer boehringer@usm.lmu.de)
MAGIC is a system of two 17 m diameter Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) located at the Roque de los Muchachos on the Canary island of La Palma. It is operated by a collaboration of 270 astrophysicists from 13 countries. The main science targets are the very high energy gamma-ray sources such as AGN, Pulsar Wind Nebulae and Gamma-Ray Bursts. When entering the Earth's atmosphere, such high-energy gamma rays produce extensive air showers (EAS) composed primarily of positrons and electrons. Moving with superluminal speed in the atmosphere, they generate Cherenkov light. MAGIC makes snapshots of EAS in Cherenkov light and characterises the nature of the primary particles.

Stellar Intensity Interferometry (SII) was demonstrated to be a powerful method to measure the size and shape of bright stars, development of binary systems etc. This idea has been recently revived due to the construction and operation of the Cherenkov Telescope Array (CTA). MAGIC is pursuing an SII programme with the existing two 17 m telescopes and is working to expand it with the four 23 m diameter LST/CTA telescopes located in the vicinity. We are already producing high-quality scientific data and publications with SII. Our aim is to move towards a very powerful constellation of telescopes for SII. They should provide one of the best achievable angular resolutions for measuring details of complex astrophysical sources in the sky.

You are expected to co-develop the SII, leading up to the configuration of telescopes with the best angular resolution. You will travel few times to La Palma to work at the experimental site. We anticipate that along with particular science topics, you will learn the state-of-the-art method in photon detection and participate in the scientific life of MAGIC-LST (CTA) telescopes. Our local science team consists of about 20 researchers including many at early stages of their career working in a friendly and mutually supportive atmosphere.

Projekt 6.2: Probing extreme environments with very-high-energy observations (Gayoung Chon gchon@usm.lmu.de, David Green damgreen@mpp.mpg.de)
Gamma-ray observations allow us to study the most extreme cosmic sources in the Universe. These violent environments, which are not reproducible at Earth-based laboratories, provide opportunities to study processes at the frontier of known physics. Our group tackles a wide range of questions related to astrophysics and fundamental physics, such as probing cosmic-ray acceleration processes and the search for the nature of Dark Matter.

Over 15 years of operations, Fermi-LAT is the preeminent instrument for studying the high-energy universe in the MeV to GeV energy range. It provides a rich data set ripe for discovery of new sources and science. MAGIC is one of the current generation Imaging Atmospheric Telescopes with high sensitivity for extended sources in the Galactic Plane. The prototype of Large Size Telescope (LST) for the Cerenkov Telescope Array (CTA) has completed construction and has started partial scientific operations. Over the next four years, three additional LSTs will be built, providing unprecedented sensitivity to the gamma-ray universe. The combination of three datasets allows for highest sensitivity in studying the extreme environments within our Galaxy.

We seek Master’s students to perform their thesis work with the primary focus on the analysis of Fermi-LAT, MAGIC, and/or LST-1 data on Galactic sources such as Supernova Remnants and Galactic PeVatrons. Although not required, experience in Python and C++ is highly desired.

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