Multidata inverse problems and Bayesian solution methods in astronomy

Statistical analyses of measurements that can be described by statistical models are of essence in astronomy and in scientific inquiry in general. The sensitivity of such analyses, modelling approaches, and the consequent predictions, is sometimes highly dependent on the exact techniques applied, and improvements therein can result in significantly better understanding of the observed system of interest. Particularly, optimising the sensitivity of statistical techniques in detecting the faint signatures of low-mass planets orbiting the nearby stars is, together with improvements in instrumentation, essential in estimating the properties of the population of such planets, and in the race to detect Earth-analogs, i.e. planets that could support liquid water and, perhaps, life on their surfaces. We review the developments in Bayesian statistical techniques applicable to detections planets orbiting nearby stars and astronomical data analysis problems in general. We also discuss these techniques and demonstrate their usefulness by using various examples and detailed descriptions of the respective mathematics involved. We demonstrate the practical aspects of Bayesian statistical techniques by describing several algorithms and numerical techniques, as well as theoretical constructions, in the estimation of model parameters and in hypothesis testing. We also apply these algorithms to Doppler measurements of nearby stars to show how they can be used in practice to obtain as much information from the noisy data as possible. Bayesian statistical techniques are powerful tools in analysing and interpreting noisy data and should be preferred in practice whenever computational limitations are not too restrictive.

On state and parameter estimation in chaotic systems

State-of-the-art predictions of atmospheric states rely on large-scale numerical models of chaotic systems. This dissertation studies numerical methods for state and parameter estimation in such systems. The motivation comes from weather and climate models and a methodological perspective is adopted. The dissertation comprises three sections: state estimation, parameter estimation and chemical data assimilation with real atmospheric satellite data. In the state estimation part of this dissertation, a new filtering technique based on a combination of ensemble and variational Kalman filtering approaches, is presented, experimented and discussed. This new filter is developed for large-scale Kalman filtering applications. In the parameter estimation part, three different techniques for parameter estimation in chaotic systems are considered. The methods are studied using the parameterized Lorenz 95 system, which is a benchmark model for data assimilation. In addition, a dilemma related to the uniqueness of weather and climate model closure parameters is discussed. In the data-oriented part of this dissertation, data from the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) satellite instrument are considered and an alternative algorithm to retrieve atmospheric parameters from the measurements is presented. The validation study presents first global comparisons between two unique satellite-borne datasets of vertical profiles of nitrogen trioxide (NO3), retrieved using GOMOS and Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III (SAGE III) satellite instruments. The GOMOS NO3 observations are also considered in a chemical state estimation study in order to retrieve stratospheric temperature profiles. The main result of this dissertation is the consideration of likelihood calculations via Kalman filtering outputs. The concept has previously been used together with stochastic differential equations and in time series analysis. In this work, the concept is applied to chaotic dynamical systems and used together with Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods for statistical analysis. In particular, this methodology is advocated for use in numerical weather prediction (NWP) and climate model applications. In addition, the concept is shown to be useful in estimating the filter-specific parameters related, e.g., to model error covariance matrix parameters.

Verkostoinvestointien optimointi uuden sähkömarkkinalain ympäristössä

Vuonna 2013 uudistunut sähkömarkkinalaki toi sähköverkkoyhtiöille velvoitteen parantaa sähkönjakeluverkkojensa toimintavarmuutta suurhäiriötilanteissa. Toimenpiteet tämän velvoitteen täyttämiseksi näkyvät merkittävinä verkostoinvestointeina. Diplomityössä tarkastellaan uudistuneen sähkömarkkinalain tuomia vaikutuksia Imatran Seudun Sähkön jakeluverkkoa koskeviin verkostoinvestointeihin. Päätavoitteena on selvittää, millaisia toimenpiteitä uuden sähköntoimitusvarmuustason vaatimusten täyttämiseksi tarvitaan ja mitkä ovat optimaaliset ratkaisut näiden toimenpiteiden toteuttamiseksi. Uudella sähköntoimitusvarmuustasolla on vaikutusta jakeluverkon rakennemuutoksiin tulevien 15 vuoden aikana, mutta näiden rakennemuutosten vaikutukset kantavat useiden kymmenien vuosien päähän.

Puolueiden keskustelutilaisuuksista mediatapahtumiksi. Television vaaliohjelmat ja niihin liittynyt sanomalehtijulkisuus 1960-luvulta 1980-luvulle

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan television vaaliohjelmia ja niihin liittynyttä sanomalehtijulkisuutta 1960-luvun alusta 1980-luvun lopulle. Tarkastelun kohteena ovat sekä eduskunta- että presidentinvaalien vaaliohjelmat. Tutkimusaineisto koostuu Yleisradion hallinto- ja ohjelmaneuvostojen pöytäkirjoista, vaaliohjelmien televisiotallenteista sekä vaaliohjelmia käsittelevistä sanomalehtikirjoituksista. Lehtiaineisto on kerätty Helsingin Sanomista, Ilta-Sanomista, Iltalehdestä, Aamulehdestä, Kansan Uutisista, Suomenmaasta sekä Suomen Sosialidemokraatista. Sanomalehtiaineistoa on täydennetty Yleisradion leikearkistoon kerätyillä lehtileikkeillä. Tutkimuksessa on analysoitu toisaalta television vaaliohjelmien kehitystä ja toisaalta vaaliohjelmiin liittynyttä sanomalehtikirjoittelua. Television vaaliohjelmien kehityksen osalta tutkimuksessa on kuvattu, millä tavoin vaaliohjelmia on eri aikoina tehty ja millaisia poliittisia kiistoja niiden tekemiseen on liittynyt. Sanomalehtiaineiston analyysissa on tarkasteltu sitä, mihin seikkoihin vaaliohjelmia käsittelevissä kirjoituksissa on kiinnitetty huomiota, millä tavoin lehdet ovat suhtautuneet ohjelmien toteutukseen ja millainen rooli ohjelmilla on nähty olleen vaalikampanjoinnissa. Väitöskirjan näkökulma on historiallinen, mikä merkitsee ajallisten kontekstien keskeisyyttä analyysissa. Tutkimuksessa on kiinnitetty huomiota sekä poliittisessa kulttuurissa että mediamaisemassa tapahtuneisiin muutoksiin. Vaaliohjelmat olivat 1960-luvulla tarkkaan säänneltyjä puolueiden välisiä keskustelutilaisuuksia, joissa toimittajilla ei ollut näkyvää roolia. Ohjelmien toteutuksesta vastasivat puoluemandaateilla toimineet Yleisradion ohjelma- ja hallintoneuvoston jäsenet, joten ohjelmien toteutuksen yksityiskohdista vastasivat puolueet. Puolueet riitelivät usein vaaliohjelmien toteutuksesta, mikä osoittaa, että puolueille television vaaliohjelmat olivat tärkeitä poliittisia foorumeita jo 1960-luvulta lähtien. Vaaliohjelmat jakautuivat kahteen erilaiseen ohjelmaformaattiin; vaalitentteihin ja suureen vaalikeskusteluun. Vaalitenteissä kunkin puolueen edustajat olivat vuorollaan ”altavastaajina”, joille muiden puolueiden edustajat esittivät kysymyksiä. Suuri vaalikeskustelu oli perinteisempi paneelikeskustelu, jossa poliitikot selvittivät vuorotellen kantojaan ajankohtaisiin poliittisin kysymyksiin. 1970-luvun puolivälissä vaalitenttien toteutuksessa tapahtui suuria muutoksia, kun toimittajat syrjäyttivät poliitikot vaalitenttien kyselijöinä. Suuri vaalikeskustelu säilyi ennallaan. Sanomalehtien suhtautuminen vaaliohjelmiin oli 1960- ja 1970-luvuilla huomattavasti pidättyvämpää kuin poliitikkojen. Sanomalehdistön näkökulmasta television vaaliohjelmien tärkeimpänä tehtävänä oli puolueiden poliittisten linjausten esittely. Vaaliohjelmia käsittelevissä teksteissä esiteltiin pääasiassa poliitikkojen ohjelmissa pitämiä puheenvuoroja. Puoluelehdissä puheenvuorojen sisältöä arvioitiin aatteellisista lähtökohdista, sitoutumattomissa sanomalehdissä neutraalimmin. Vaaliohjelmien toteutukseen liittynyt kritiikki kohdistui toisaalta poliitikkojen puoluepropagandaan, toisaalta poliitikkojen liialliseen varovaisuuteen. Sanomalehtien suhtautuminen vaaliohjelmiin säilyi ennallaan myös 1970-luvulla, jolloin vaaliohjelmia alettiin tehdä toimittajavetoisesti. Ainoa muutos liittyi vaaliohjelmakritiikkiin, joka kohdistui nyt poliitikkojen ohella myös toimittajiin, joiden katsottiin olleen ohjelmissa liian hyökkääviä. Suurin muutos vaaliohjelmiin liittyneessä kirjoittelussa tapahtui 1980-luvulla. Vaaliohjelmia käsitteleviä kirjoituksia julkaistiin sanomalehdistössä monikertainen määrä 1970-lukuun verrattuna. Samalla myös vaaliohjelmia käsittelevien kirjoitusten näkökulmat alkoivat muuttua, kun ohjelmin visuaalinen ulottuvuus alkoi olla yhä näkyvämmin esillä sanomalehtiin laadituissa analyyseissa. Lehdet alkoivat teettää säännöllisesti erilaisia tutkimuksia poliitikkojen pärjäämisestä ohjelmissa ja kirjoittaa vaalikeskusteluiden voittajista ja häviäjistä. Lisäksi lehtijutuissa arvioitiin poliitikkojen esiintymistä ja vaaliohjelmista välittyviä vaikutelmia. Vuoden 1982 presidentinvaaleissa uusista näkökulmista kirjoittivat erityisesti iltapäivälehdet, mutta vuosikymmenen jälkipuoliskolla samankaltaisia lähestymistapoja omaksuivat myös Helsingin Sanomat ja Aamulehti. Niiden vaaliohjelmia käsittelevissä uutisissa kiinnitettiin yhä useammin huomiota poliitikkojen esiintymiseen, pukeutumiseen ja tunnetiloihin. Puoluelehtien suhtautuminen vaaliohjelmiin säilyi kuitenkin ennallaan, ja myös vaaliohjelmakritiikki säilyi suurelta osin muuttumattomana. 1980-luvun aikana television vaaliohjelmat muuttuivat lehdistön käsittelyssä puolueiden tavoitteita esittelevistä keskustelutilaisuuksista poliitikkojen ja puolue johtajien henkilökohtaisia ominaisuuksia mittaaviksi esiintymiskokeiksi ja suuriksi mediatapahtumiksi, joiden katsottiin toisinaan jopa ratkaisseen vaalin tuloksen. Nostaessaan television vaaliohjelmat kampanjajournalisminsa ytimeen, sanomalehdet vahvistivat television poliittista roolia.

Solar Twins and Solar Analogues in Galactic Surveys.

The Sun is a crucial benchmark for how we see the universe. Especially when it comes to the visible range of the spectrum, stars are commonly compared to the Sun, as it is the most thoroughly studied star. In this work I have focussed on two aspects of the Sun and how it is used in modern astronomy. Firstly, I try to answer the question on how similar to the Sun another star can be. Given the limits of observations, we call a solar twin a star that has the same observed parameters as the Sun within its errors. These stars can be used as stand-in suns when doing observations, as normal night-time telescopes are not built to be pointed at the Sun. There have been many searches for these twins and every one of them provided not only information on how close to the Sun another star can be, but also helped us to understand the Sun itself. In my work I have selected _ 300 stars that are both photometrically and spectroscopically close to the Sun and found 22 solar twins, of which 17 were previously unknown and can therefore help the emerging picture on solar twins. In my second research project I have used my full sample of 300 solar analogue stars to check the temperature and metallicity scale of stellar catalogue calibrations. My photometric sample was originally drawn from the Geneva-Copenhagen-Survey (Nordström et al. 2004; Holmberg et al. 2007, 2009) for which two alternative calibrations exist, i.e. GCS-III (Holmberg et al. 2009) and C11 (Casagrande et al. 2011). I used very high resolution spectra of solar analogues, and a new approach to test the two calibrations. I found a zero–point shift of order of +75 K and +0.10 dex in effective temperature and metallicity, respectively, in the GCS-III and therefore favour the C11 calibration, which found similar offsets. I then performed a spectroscopic analysis of the stars to derive effective temperatures and metallicities, and tested that they are well centred around the solar values.

Dynamical and Chemical Structure of Galactic Halos

This doctoral dissertation presents studies of the formation and evolution of galaxies, through observations and simulations of galactic halos. The halo is the component of galaxies which hosts some of the oldest objects we know of in the cosmos; it is where clues to the history of galaxies are found, for example, by how the chemical structure is related to the dynamics of objects in the halo. The dynamical and chemical structure of halos, both in the Milky Way’s own halo, and in two elliptical galaxies, is the underlying theme in the research. I focus on the density falloff and chemistry of the two external halos, and on the dynamics, density falloff, and chemistry of the Milky Way halo. I first study galactic halos via computer simulations, to test the long- term stability of an anomalous feature recently found in kinematics of the Milky Way’s metal-poor stellar halo. I find that the feature is transient, making its origin unclear. I use a second set of simulations to test if an initially strong relation between the dynamics and chemistry of halo glob-ular clusters in a Milky Way-type galaxy is affected by a merging satellite galaxy, and find that the relation remains strong despite a merger in which the satellite is a third of the mass of the host galaxy. From simulations, I move to observing halos in nearby galaxies, a challenging procedure as most of the light from galaxies comes from the disk and bulge components as opposed to the halo. I use Hubble Space Tele scope observations of the halo of the galaxy M87 and, comparing to similar observations of NGC 5128, find that the chemical structure of the inner halo is similar for both of these giant elliptical galaxies. I use Very Large Telescope observations of the outer halo of NGC 5128 (Centaurus A) and, because of the difficultly in resolving dim extragalac- tic stellar halo populations, I introduce a new technique to subtract the contaminating background galaxies. A transition from a metal-rich stellar halo to a metal-poor has previously been discovered in two different types of galaxies, the disk galaxy M31 and the classic elliptical NGC 3379. Unexpectedly, I discover in this third type of galaxy, the merger remnant NGC 5128, that the density of metal-rich and metal-poor halo stars falls at the same rate within the galactocentric radii of 8 − 65 kpc, the limit of our observations. This thesis presents new results which open opportunities for future investigations.

Porous Bodies, Porous Minds. Emotions and the Supernatural in the Íslendingasögur (ca. 1200–1400)

In my PhD Thesis, I study the conceptions and representation of emotions in medieval 13th and 14th-century Iceland. I have used Icelandic saga literature as my source material and Icelandic Family sagas (Íslendingasögur) as my main sources. Firstly, I wished to explore in my study the medieval Icelandic folk theory of emotions: what emotions were thought to be, from what they originated and how they operated? Secondly, in earlier research it has been shown that emotions were seldom described in Íslendingasögur. They were mostly represented in dialogue, poetry or in somatic changes (e.g. turning pale). Consequently, I examined whether medieval Icelanders had alternative emotion discourses in literature, in addition to the usual manner of representation. My study consists of qualitative case studies, and I have analysed the sources intertextually. I suggest that medieval Icelanders regarded emotions as movements of the mind. The mind existed in the heart. As a consequence, emotions were considered physical in nature. The human body and therefore also the human mind was considered porous: if the mind of the person was not strong enough, supernatural agents and forces could penetrate theboundaries of his/her body as winds or sharp projectiles. Correspondingly, minds of strong-willed people could penetrate the minds of others. As a result, illness and emotions could upspring. People did not always distinguish between emotions and physical illnesses. Excessive emotions could cause illness, even death. Especially fear, grief and emotions of moral responsibility (e.g. guilt) made people vulnerable to the supernatural influence. Guilt was considered part of the emotional experience of misfortune (ógæfa), and in literature guilt could also be represented as eye pain that was inflicted upon the sufferer by a supernatural agent in a dream. Consequently, supernatural forces and beings were part of the upspring of emotions, but also part of the representation of emotions in literature: They caused the emotion but their presence also represented the emotional turmoil in the lives of the people that the supernatural agents harassed; emotions that had followed from norm transgressions, betrayal and other forms of social disequilibrium. Medieval readers and listeners of the Íslendingasögur were used to interpreting such different layers of meaning in texts.

Numerical Studies of Dark Energy Models and Observations

The cosmological standard view is based on the assumptions of homogeneity, isotropy and general relativistic gravitational interaction. These alone are not sufficient for describing the current cosmological observations of accelerated expansion of space. Although general relativity is extremely accurately tested to describe the local gravitational phenomena, there is a strong demand for modifying either the energy content of the universe or the gravitational interaction itself to account for the accelerated expansion. By adding a non-luminous matter component and a constant energy component with negative pressure, the observations can be explained with general relativity. Gravitation, cosmological models and their observational phenomenology are discussed in this thesis. Several classes of dark energy models that are motivated by theories outside the standard formulation of physics were studied with emphasis on the observational interpretation. All the cosmological models that seek to explain the cosmological observations, must also conform to the local phenomena. This poses stringent conditions for the physically viable cosmological models. Predictions from a supergravity quintessence model was compared to Supernova 1a data and several metric gravity models were studied with local experimental results. Polytropic stellar configurations of solar, white dwarf and neutron stars were numerically studied with modified gravity models. The main interest was to study the spacetime around the stars. The results shed light on the viability of the studied cosmological models.