[Energies]

Soitinnus: cembalo.

Quantum transport phenomena and shallow impurity states in CdSb

This work is dedicated to investigation of the energy spectrum of one of the most anisotropic narrow-gap semiconductors, CdSb. At the beginning of the present studies even the model of its energy band structure was not clear. Measurements of galvanomagnetic effects in wide temperature range (1.6 - 300 K) and in magnetic fields up to 30 T were chosen for clarifying of the energy spectrum in the intentionally undoped CdSb single crystals and doped with shallow impurities (In, Ag). Detection of the Shubnikov - de Haas oscillations allowed estimating the fundamental energy spectrum parameters. The shapes of the Fermi surfaces of electrons (sphere) and holes (ellipsoid), the number of the equivalent extremums for valence band (2) and their positions in the Brillouin zone were determined for the first time in this work. Also anisotropy coefficients, components of the tensor of effective masses of carriers, effective masses of density of states, nonparabolicity of the conduction and valence bands, g-factor and its anisotropy for n- and p-CdSb were estimated for the first time during these studies. All the results obtained are compared with the cyclotron resonance data and the corresponding theoretical calculations for p-CdSb. This is basic information for the analyses of the complex transport properties of CdSb and for working out the energy spectrum model of the shallow energy levels of defects and impurities in this semiconductor. It was found out existence of different mechanisms of hopping conductivity in the presence of metal - insulator transition induced by magnetic field in n- and p-CdSb. Quite unusual feature opened in CdSb is that different types of hopping conductivity may take place in the same crystal depending on temperature, magnetic field or even orientation of crystal in magnetic field. Transport properties of undoped p-CdSb samples show that the anisotropy of the resistivity in weak and strong magnetic fields is determined completely by the anisotropy of the effective mass of the holes. Temperature and magnetic field dependence of the Hall coefficient and magnetoresistance is attributed to presence of two groups of holes with different concentrations and mobilities. The analysis demonstrates that below Tcr ~ 20 K and down to ~ 6 - 7 K the low-mobile carriers are itinerant holes with energy E2 ≈ 6 meV. The high-mobile carriers, at all temperatures T < Tcr, are holes activated thermally from a deeper acceptor band to itinerant states of a shallower acceptor band with energy E1 ≈ 3 meV. Analysis of temperature dependences of mobilities confirms the existence of the heavy-hole band or a non-equivalent maximum and two equivalent maxima of the light-hole valence band. Galvanomagnetic effects in n-CdSb reveal the existence of two groups of carriers. These are the electrons of a single minimum in isotropic conduction band and the itinerant electrons of the narrow impurity band, having at low temperatures the energies above the bottom of the conduction band. It is found that above this impurity band exists second impurity band of only localized states and the energy of both impurity bands depend on temperature so that they sink into the band gap when temperature is increased. The bands are splitted by the spin, and in strong magnetic fields the energy difference between them decreases and redistribution of the electrons between the two impurity bands takes place. Mobility of the conduction band carriers demonstrates that scattering in n-CdSb at low temperatures is strongly anisotropic. This is because of domination from scattering on the neutral impurity centers and increasing of the contribution to mobility from scattering by acoustic phonons when temperature increases. Metallic conductivity in zero or weak magnetic field is changed to activated conductivity with increasing of magnetic field. This exhibits a metal-insulator transition (MIT) induced by the magnetic field due to shift of the Fermi level from the interval of extended states to that of the localized states of the electron spectrum near the edge of the conduction band. The Mott variablerange hopping conductivity is observed in the low- and high-field intervals on the insulating side of the MIT. The results yield information about the density of states, the localization radius of the resonant impurity band with completely localized states and about the donor band. In high magnetic fields this band is separated from the conduction band and lies below the resonant impurity bands.

Oxygen adsorption on Cu(510)

Tässä työssä on tutkittu kuparin (510)-askelpinnan reaktiivisuutta käyttäen apuna kvanttimekaanisia ab initio laskentamenetelmiä. Tutkimus on toteutettu laskemalla happiatomin adsorptioenergia ja tilatiheys erilaisissa potentiaalisissa adsorptiopaikoissa pinnalla. Myös happimolekyylin adsorptiota ja hajoamista ontarkasteltu laskemalla pintaa lähestyvälle molekyylille potentiaalienergiapintoja. Energiapintojen tuloksia on myös täydennetty kvanttimekaanisilla molekyylidynamiikkalaskuilla. Metallisia askelpintoja pidetään yleisesti sileitä pintoja reaktiivisempina happea kohtaan, johtuen askeleen reunan pienentävästä vaikutuksesta molekyylin hajoamisen tiellä olevaan energiavaliin. On kuitenkin olemassa myös tuloksia, jotka osoittavat hapen tarttumisprosessin olevan hallitseva juuri terassialueella, askeleen reunan sijasta. Tässä työssä on todettu hapen adsorboituvan Cu(510)-pinnalla tehokkaimmin juuri terassilla olevaan hollow-paikkaan. Myös adsorptioenergiat ovat tällä pinnalla pienempiä kuin sileällä (100)-pinnalla. Potentiaalienergiapintojen perusteella Cu(510)-pinnan todetaan myös olevan vähemmän reaktiivinen kuin askelpintojen yleisesti odotetaan olevan, vaikka askeleen reunan todetaankin pienentävän happiatominhajoamisen esteenä olevaa energiavallia.

Kaasukäyttöisen jäteauton toiminnan tutkiminen ja soveltuvuuden selvittäminen pääkaupunkiseudun jätteenkuljetuksiin

Kaasunkäyttö liikennepolttoaineena on Suomessa vielä melko vähäistä. Maa- ja biokaasun käyttöä pyritään kuitenkin lisäämään, sillä EU:n jäsenvaltioiden tulee korvatavuoteen 2010 mennessä 5,75 % nykyisistä liikenteen polttoaineista biopolttoaineilla ja vuoteen 2020 mennessä jopa 20 %:a. Tässä työssä tutkittiin kaasukäyttöisen (CNG) jäteauton vahvuuksia ja heikkouksia dieseljäteautoon verrattuna. Ensimmäinen CNG-jäteauto aloitti liikennöinnin Pääkaupunkiseudun yhteistyövaltuuskunnan alueella joulukuussa 2005. Kaasujäteautolle suoritettujen melu- ja pakokaasupäästömittausten perusteella selvisi, että CNG-jäteauto on ympäristön kannalta dieseljäteautoa puhtaampi vaihtoehto. Kaasujäteautolla on myös yrityksen imagoon positiivinen vaikutus. Jäteautojen kustannuslaskelmat osoittivat, että kaasujäteauto tulee kokonaiskustannuksiltaan kalliimmaksi kuin dieseljäteauto. Ainoastaan CNG-jäteauton polttoainekustannukset ovat toistaiseksi edullisemmat kuin dieseljäteauton. Kaasujäteautokannan lisääntyminen edellyttää kaasun liikennepolttoainekäytön tukemista esimerkiksi antamalla lisäpisteitä urakkatarjouskilpailuissa. Tällöin eri polttoainevaihtoehtojen välillesyntyy kilpailua, millä voi tulevaisuudessa olla vaikutusta CNG-jäteauton kokonaiskustannusten alenemiseen ja kaasun käytön lisäämiseen taloudellisesti kannattavasti. Myös edistämällä biokaasun hyötykäyttöä liikennepolttoaineena saavutetaan maakaasua paremmat ympäristöhyödyt ja saadaan kaatopaikoilla muodostuva metaani talteen. Biokaasu on hiilidioksidineutraali polttoaine, joten sen poltosta ei synny kasvihuonekaasupäästöjä.

Ydinvoimalaitoksen nuklidijakauma vaikutus kontaminaatiomittauksiin

Tässä diplomityössä kuvataan Loviisan voimalaitoksen vaihtelevien kontaminaation nuklidijakaumien vaikutusta kontaminaatiomittausten tuloksiin. Nuklidikohtaisten tietojen ja kontaminaation nuklidikoostumuksen selvittämiseen käytettiin epäsuoraa kontaminaationmittausmenetelmää. Valvonta-alueen eri huonetiloista kerättiin pyyhintänäytteitä. Näytteet mitattiin kontaminaatiomittareilla sekä gammaspektrometrisesti radiokemian laboratoriossa. Gamma-analyysissä saatiin selville nuklidikohtaiset aktiivisuudet ja suhteelliset nuklidijakaumat. Kirjallisuudesta etsittiin tiedot kunkin kontaminaatiosta löytyneen nuklidin aktiivisuusominaisuuksille. Säteilyn ilmaisimien havaitsemistehokkuuden energiariippuvuus vaikuttaa kunkin nuklidin mittaustulokseen. Nuklidikohtaisten tietojen sekä tunnettujen energiariippuvuuksien perusteella arvioitiin hiukkasten energiajakauman aiheuttaman mittausvirheen osuutta kullekin nuklidijakaumalle. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan lisäksi eri kontaminaatiomittausmenetelmien hyviä ja huonoja puolia. Säteilysuojelutyössä käytetyt kontaminaation mittalaitteet on työssä esitelty ja mittaustarkkuuteen vaikuttavia seikkoja on käsitelty operatiivisen säteilysuojelun kannalta.

Oxygen adsorption on clean and oxygen precovered Cu(100)

Kuparipinnan hapettumisen alkuvaiheet ovat vielä nykyisin tutkijoille epäselviä. Kuitenkin, jotta hapettumisprosessia voitaisiin säädellä, on sangen tärkeää ymmärtää mistä varsinainen hapettuminen lähtee liikkeelle ja mitkä ovat hapettumisen seuraavat vaiheet. Tähän kysymykseen haetaan vastauksia tässä työssä käyttäen puhtaasti teoreettisia menetelmiä pinnan käsittelyssä. Aikaisempien teoreettisten ja kokeellisten tutkimusten välillä on pieni ristiriita liittyen hapen tarttumistodennäköisyyteen. Teoreettisten tutkimusten mukaan happi ei puhtaalle pinnalle tullessaan näe potentiaalivallia, mutta kokeelliset tutkimukset osoittavat sellaisen kuitenkin olevan. Tuohon ristiriitaan pureudutaan käyttäen aikaisemmista laskuista poikkeavaa kvanttimekaaniseen molekyylidynamiikkaan perustuvaa lähestymistapaa. Työssä havaitaan, että aikaisemmin yleisesti käytetty menetelmä hukkaa huomattavan määrän tietoa ja siten tutkijat eivät voi ainoastaan tyytyä tarkastelemaan kyseisellä menetelmällä saatuja tuloksia. Kuparipinnalle havaittiin, että korkeilla molekyylin kineettisen energian arvolla aikaisemmin suoritetut laskut hajottavista trajektoreista pitävät paikkansa, mutta matalilla kineettisen energian arvoilla molekyyli kohtaa erittäin voimakkaan ``steering'' vaikutuksen ja trajektorit joiden piti olla hajottavia johtavatkin molekulaariseen adsorptioon. Kun hapen konsentraatio pinnalla on suurempi kuin 0.5 ML, pinta rekonstruoituu. Myös rekonstruktion jälkeistä pintaa on tutkittu samanlaisilla menetelmillä kuin puhdasta pintaa. Rekonstruoituneelle pinnalle ei löydetty hajottavia trajektoreita ja havaittiin, että hapelle annetun kineettisen energian matalilla arvoilla myös tässä tapauksessa on erittäin voimakas ``steering'' vaikutus.

Optimised Utilization of Bioenergy in Poland

The aim of the study was to ford out the availability of biomasses, which are available for energy production, in Poland. Biomasses which were examined were forest residues and surplus straw. Availability was examined by 16 Polish voivodeships, which are provinces in Poland. After fording out the amounts of biomasses for energy production was examined the need of biomass in the biggest CHP plants in Poland. It was expected that all the plants uses 15 % of biomass as the fuel. In the first parts of the report are explained the legislation which effects to biomass use in energy production in EU level and in Polish level. Also the combustion methods best for biomasses are explained by examples. After this, is studied the general situation of renewable energy use in Poland and the facts about the country. In the last parts it's explained the calculations and is shown the example cases. When it was found out the needs and supply of biomass it was examined by examples how it could be transported to the plants from the producers. Also was examined costs effected, if there were logistical terminals between the producer and the end user. The estimation was done by setting prices for the biomass, and fording out average costs for producing and transporting biomass. There are a lot of surplus biomasses in Poland which could be used for energy production, and this is a one way to reach the goals that EU has set of renewable energies. But because biomasses doesn't have such a good calorific value, it isn't worth able to transport it very long distances. In the research was set the prices for producer 9€/MWh and for end user 15€/MWh, the maximum transportation distance for forest residues was 52 km and for straw 56 km. These are example estimations and it has to be remembered that there are a lot of factors that makes inaccurate. The model is really sensitive and by changing one parameter the results change a lot.

Paperin pintaenergian vaikutus painovärin tarpeeseen

Työn tavoitteena oli selvittää pintaenergian vaikutus painovärin tarpeeseen IGT-laboratoriopainokoneella. Lisäksi selvitettiin onko karheudella vaikutusta kontaktikulmamittaukseen. Työ koostui kirjallisuusosasta ja kokeellisesta osasta. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin aihepiiriä koskevia teorioita ja aiempia tutkimuksia. Kokeellisessa osassa valmistettiin laboratoriomittakaavassa pintaenergialtaan ja karheudeltaan erilaisia papereita. Pintaenergiaa muuteltiin kolmen erilaisen massaliiman ja kahden erilaisen pintaliiman avulla. Paperin karheutta säädettiin kalanteroinnilla. Papereista mitattiin pintaominaisuuksia, nesteen ja paperin välinen kontaktikulma, sekä suoritettiin painatuskokeita. Pintaenergia laskettiin kirjallisuudesta löytyneiden teorioiden perusteella ja näiden pintaenergian laskemismenetelmien käyttökelpoisuutta pintaenergian määrittämiseen selvitettiin. Lisäksi tutkittiin pintaenergian vaikutusta painovärin tarpeeseen. Tämä työ selvästi osoittaa, että yhden, kahden ja kolmen komponentin menetelmällä ja nesteitä vaihtelemalla saadaan erilaisia pintaenergian tuloksia. Pintaenergian määrittämiseen vaikuttaa myös kontaktikulmamittausten hankaluus ja kontaktikulman suuri vaihtelu, joka vaikuttaa koko mittaussarjan luotettavuustarkasteluun. Lisäksi paperin karheudella ja huokoisuudella oli merkitystä kontaktikulmamittaukseen.

Multi-Eruption Solar Energetic Particle Events Observed by SOHO/ERNE

In the last two decades of studying the Solar Energetic Particle (SEP) phenomenon, intensive emphasis has been put on how and when and where these SEPs are injected into interplanetary space. It is well known that SEPs are related to solar flares and CMEs. However, the role of each in the acceleration of SEPs has been under debate since the major role was taken from flares ascribed to CMEs step by step after the skylab mission, which started the era of CME spaceborn observations. Since then, the shock wave generated by powerful CMEs in between 2-5 solar radii is considered the major accelerator. The current paradigm interprets the prolonged proton intensity-time profile in gradual SEP events as a direct effect of accelerated SEPs by shock wave propagating in the interplanetary medium. Thus the powerful CME is thought of as a starter for the acceleration and its shock wave as a continuing accelerator to result in such an intensity-time profile. Generally it is believed that a single powerful CME which might or might not be associated with a flare is always the reason behind such gradual events.

In this work we use the Energetic and Relativistic Nucleus and Electrons ERNE instrument on board Solar and Heliospheric Observatory SOHO to present an empirical study to show the possibility of multiple accelerations in SEP events. In the beginning we found 18 double-peaked SEP events by examining 88 SEP events. The peaks in the intensity-time profile were separated by 3-24 hours. We divided the SEP events according to possible multiple acceleration into four groups and in one of these groups we find evidence for multiple acceleration in velocity dispersion and change in the abundance ratio associated at transition to the second peak. Then we explored the intensity-time profiles of all SEP events during solar cycle 23 and found that most of the SEP events are associated with multiple eruptions at the Sun and we call those events as Multi-Eruption Solar Energetic Particles (MESEP) events. We use the data available by Large Angle and Spectrometric Coronograph LASCO on board SOHO to determine the CME associated with such events and YOHKOH and GOES satellites data to determine the flare associated with such events. We found four types of MESEP according to the appearance of the peaks in the intensity-time profile in large variation of energy levels. We found that it is not possible to determine whether the peaks are related to an eruption at the Sun or not, only by examining the anisotropy flux, He/p ratio and velocity dispersion. Then we chose a rare event in which there is evidence of SEP acceleration from behind previous CME. This work resulted in a conclusion which is inconsistent with the current SEP paradigm. Then we discovered through examining another MESEP event, that energetic particles accelerated by a second CME can penetrate a previous CME-driven decelerating shock. Finally, we report the previous two MESEP events with new two events and find a common basis for second CME SEPs penetrating previous decelerating shocks. This phenomenon is reported for the first time and expected to have significant impact on modification of the current paradigm of the solar energetic particle events.

Molecular modeling of asymmetric induction in heterogeneously catalyzed hydrogenation of the C=O bond

Modifiering av metallytor med starkt adsorberade kirala organiska molekyler är eventuellt den mest relevanta teknik man vet i dag för att skapa kirala ytor. Den kan utnyttjas i katalytisk produktion av enantiomeriskt rena kirala föreningar som behövs t.ex. som läkemedel och aromkemikalier. Trots många fördelar av asymmetrisk heterogen katalys jämfört med andra sätt för att få kirala föreningar, har den ändå inte blivit ett allmänt verktyg för storskaliga tillämpningar. Detta beror t.ex. på brist på djupare kunskaper i katalytiska reaktionsmekanismer och ursprunget för asymmetrisk induktion. I denna studie användes molekylmodelleringstekniker för att studera asymmetriska, heterogena katalytiska system, speciellt hydrering av prokirala karbonylföreningar till motsvarande kirala alkoholer på cinchona-alkaloidmodifierade Pt-katalysatorer. 1-Fenyl-1,2-propandion (PPD) och några andra föreningar, som innehåller en prokiral C=O-grupp, användes som reaktanter. Konformationer av reaktanter och cinchona-alkaloider (som kallas modifierare) samt vätebundna 1:1-komplex mellan dem studerades i gas- och lösningsfas med metoder som baserar sig på vågfunktionsteori och täthetsfunktionalteori (DFT). För beräkningen av protonaffiniteter användes också högst noggranna kombinationsmetoder såsom G2(MP2). Den relativa populationen av modifierarnas konformationer varierade som funktion av modifieraren, dess protonering och lösningsmedlet. Flera reaktant–modifierareinteraktionsgeometrier beaktades. Slutsatserna på riktning av stereoselektivitet baserade sig på den relativa termodynamiska stabiliteten av de diastereomeriska reaktant–modifierare-komplexen samt energierna hos π- och π*-orbitalerna i den reaktiva karbonylgruppen. Adsorption och reaktioner på Pt(111)-ytan betraktades med DFT. Regioselektivitet i hydreringen av PPD och 2,3-hexandion kunde förklaras med molekyl–yta-interaktioner. Storleken och formen av klustret använt för att beskriva Pt-ytan inverkade inte bara på adsorptionsenergierna utan också på de relativa stabiliteterna av olika adsorptionsstrukturer av en molekyl. Populationerna av modifierarnas konformationer i gas- och lösningsfas korrelerade inte med populationerna på Pt-ytan eller med enantioselektiviteten i hydreringen av PPD på Pt–cinchona-katalysatorer. Vissa modifierares konformationer och reaktant–modifierare-interaktionsgeometrier var stabila bara på metallytan. Teoretiskt beräknade potentialenergiprofiler för hydrering av kirala α-hydroxiketoner på Pt implicerade preferens för parvis additionsmekanism för väte och selektiviteter i harmoni med experimenten. De uppnådda resultaten ökar uppfattningen om kirala heterogena katalytiska system och kunde därför utnyttjas i utvecklingen av nya, mera aktiva och selektiva kirala katalysatorer.

Synthesis of percarboxylic acids in microreactor

Percarboxylic acids are commonly used as disinfection and bleaching agents in textile, paper, and fine chemical industries. All of these applications are based on the oxidative potential of these compounds. In spite of high interest in these chemicals, they are unstable and explosive chemicals, which increase the risk of synthesis processes and transportation. Therefore, the safety criteria in the production process should be considered. Microreactors represent a technology that efficiently utilizes safety advantages resulting from small scale. Therefore, microreactor technology was used in the synthesis of peracetic acid and performic acid. These percarboxylic acids were produced at different temperatures, residence times and catalyst i.e. sulfuric acid concentrations. Both synthesis reactions seemed to be rather fast because with performic acid equilibrium was reached in 4 min at 313 K and with peracetic acid in 10 min at 343 K. In addition, the experimental results were used to study the kinetics of the formation of performic acid and peracetic acid. The advantages of the microreactors in this study were the efficient temperature control even in very exothermic reaction and good mixing due to the short diffusion distances. Therefore, reaction rates were determined with high accuracy. Three different models were considered in order to estimate the kinetic parameters such as reaction rate constants and activation energies. From these three models, the laminar flow model with radial velocity distribution gave most precise parameters. However, sulfuric acid creates many drawbacks in this synthesis process. Therefore, a ´´greener´´ way to use heterogeneous catalyst in the synthesis of performic acid in microreactor was studied. The cation exchange resin, Dowex 50 Wx8, presented very high activity and a long life time in this reaction. In the presence of this catalyst, the equilibrium was reached in 120 second at 313 K which indicates a rather fast reaction. In addition, the safety advantages of microreactors were investigated in this study. Four different conventional methods were used. Production of peracetic acid was used as a test case, and the safety of one conventional batch process was compared with an on-site continuous microprocess. It was found that the conventional methods for the analysis of process safety might not be reliable and adequate for radically novel technology, such as microreactors. This is understandable because the conventional methods are partly based on experience, which is very limited in connection with totally novel technology. Therefore, one checklist-based method was developed to study the safety of intensified and novel processes at the early stage of process development. The checklist was formulated using the concept of layers of protection for a chemical process. The traditional and three intensified processes of hydrogen peroxide synthesis were selected as test cases. With these real cases, it was shown that several positive and negative effects on safety can be detected in process intensification. The general claim that safety is always improved by process intensification was questioned.

Acceleration of Solar Energetic Particles in coronal shocks through self-generated turbulence

The acceleration of solar energetic particles (SEPs) by flares and coronal mass ejections (CMEs) has been a major topic of research for the solar-terrestrial physics and geophysics communities for decades. This thesis discusses theories describing first-order Fermi acceleration of SEPs through repeated crossings at a CME-driven shock. We propose that particle trapping occurs through self-generated Alfvén waves, leading to a turbulent trapping region in front of the shock. Decelerating coronal shocks are shown to be capable of efficient SEP acceleration, provided seed particle injection is sufficient. Quasi-parallel shocks are found to inject thermal particles with good efficiency. The roles of minimum injection velocities, cross-field diffusion, downstream scattering efficiency and cross-shock potential are investigated in detail, with downstream isotropisation timescales having a major effect on injection efficiency. Accelerated spectra of heavier elements up to iron are found to exhibit significantly harder spectra than protons. Accelerated spectra cut-off energies are found to scale proportional to (Q/A)^1.5, which is explained through analysis of the spectral shape of amplified Alfvénic turbulence. Acceleration times to different threshold energies are found to be non-linear, indicating that self-consistent time-dependent simulations are required in order to expose the full extent of acceleration dynamics. The well-established quasilinear theory (QLT) of particle scattering is investigated by comparing QLT scattering coefficients with those found via full-orbit simulations. QLT is found to overemphasise resonance conditions. This finding supports the simplifications implemented in the presented coronal shock acceleration (CSA) simulation software. The CSA software package is used to simulate a range of acceleration scenarios. The results are found to be in agreement with well-established particle acceleration theory. At the same time, new spatial and temporal dynamics of particle population trapping and wave evolution are revealed.

Performance Determinants of Renewable Energy Companies

The purpose of this thesis is to identify the Performance Determinants (PD) of Renewable Energy (RE) companies. It analyzes the background of the RE industry while reflecting simultaneous developments in the fossil based industries. I divided the determinants into two groups: market level and firm level and established hypotheses based on the existing literature. Data from public companies was gathered to construct a Panel Data structure. This is then tested by using a Linear Regression with Fixed Effects model. The model specification was efficient at reflecting the analyzed phenomena. My results showed that both market level and firm level determinants are significant in the RE Industry but the firm level determinants had higher explanatory power (R2). The determinants' relationships were found to follow those from the manufacturing industry more than the utilities' industry. Out of the market level determinants Consumer Price Index (CPI), Interest Rates and Oil prices were significant. Out of the firm level determinants Debt to Assets, Net Investments, Cash flows from operations, Sales and Earnings Before Interests and Taxes (EBIT) were significant. I concluded that this information is valuable for key industry players as they can achieve their objectives faster by elaborating better strategies using these results.

The supermassive binary black hole system OJ287

Abstract This doctoral thesis concerns the active galactic nucleus (AGN) most often referred to with the catalogue number OJ287. The publications in the thesis present new discoveries of the system in the context of a supermassive binary black hole model. In addition, the introduction discusses general characteristics of the OJ287 system and the physical fundamentals behind these characteristics. The place of OJ287 in the hierarchy of known types of AGN is also discussed. The introduction presents a large selection of fundamental physics required to have a basic understanding of active galactic nuclei, binary black holes, relativistic jets and accretion disks. Particularly the general relativistic nature of the orbits of close binaries of supermassive black holes is explored with some detail. Analytic estimates of some of the general relativistic effects in such a binary are presented, as well as numerical methods to calculate the effects more precisely. It is also shown how these results can be applied to the OJ287 system. The binary orbit model forms the basis for models of the recurring optical outbursts in the OJ287 system. In the introduction, two physical outburst models are presented in some detail and compared. The radiation hydrodynamics of the outbursts are discussed and optical light curve predictions are derived. The precursor outbursts studied in Paper III are also presented, and tied into the model of OJ287. To complete the discussion of the observable features of OJ287, the nature of the relativistic jets in the system, and in active galactic nuclei in general, is discussed. Basic physics of relativistic jets are presented, with additional detail added in the form of helical jet models. The results of Papers II, IV and V concerning the jet of OJ287 are presented, and their relation to other facets of the binary black hole model is discussed. As a whole, the introduction serves as a guide, though terse, for the physics and numerical methods required to successfully understand and simulate a close binary of supermassive black holes. For this purpose, the introduction necessarily combines a large number of both fundamental and specific results from broad disciplines like general relativity and radiation hydrodynamics. With the material included in the introduction, the publications of the thesis, which present new results with a much narrower focus, can be readily understood. Of the publications, Paper I presents newly discovered optical data points for OJ287, detected on archival astronomical plates from the Harvard College Observatory. These data points show the 1900 outburst of OJ287 for the first time. In addition, new data points covering the 1913 outburst allowed the determination of the start of the outburst with more precision than was possible before. These outbursts were then successfully numerically modelled with an N-body simulation of the OJ287 binary and accretion disc. In Paper II, mechanisms for the spin-up of the secondary black hole in OJ287 via interaction with the primary accretion disc and the magnetic fields in the system are discussed. Timescales for spin-up and alignment via both processes are estimated. It is found that the secondary black hole likely has a high spin. Paper III reports a new outburst of OJ287 in March 2013. The outburst was found to be rather similar to the ones reported in 1993 and 2004. All these outbursts happened just before the main outburst season, and are called precursor outbursts. In this paper, a mechanism was proposed for the precursor outbursts, where the secondary black hole collides with a gas cloud in the primary accretion disc corona. From this, estimates of brightness and timescales for the precursor were derived, as well as a prediction of the timing of the next precursor outburst. In Paper IV, observations from the 2004–2006 OJ287 observing program are used to investigate the existence of short periodicities in OJ287. The existence of a _50 day quasiperiodic component is confirmed. In addition, statistically significant 250 day and 3.5 day periods are found. Primary black hole accretion of a spiral density wave in the accretion disc is proposed as the source of the 50 day period, with numerical simulations supporting these results. Lorentz contracted jet re-emission is then proposed as the reason for the 3.5 day timescale. Paper V fits optical observations and mm and cm radio observations of OJ287 with a helical jet model. The jet is found to have a spine–sheath structure, with the sheath having a much lower Lorentz gamma factor than the spine. The sheath opening angle and Lorentz factor, as well as the helical wavelength of the jet are reported for the first time. Tiivistelmä Tässä väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty tutkimaan aktiivista galaksiydintä OJ287. Väitöskirjan osana olevat tieteelliset julkaisut esittelevät OJ287-systeemistä saatuja uusia tuloksia kaksoismusta-aukkomallin kontekstissa. Väitöskirjan johdannossa käsitellään OJ287:n yleisiä ominaisuuksia ja niitä fysikaalisia perusilmiöitä, jotka näiden ominaisuuksien taustalla vaikuttavat. Johdanto selvittää myös OJ287-järjestelmän sijoittumisen aktiivisten galaksiytimien hierarkiassa. Johdannossa käydään läpi joitakin perusfysiikan tuloksia, jotka ovat tarpeen aktiivisten galaksiydinten, mustien aukkojen binäärien, relativististen suihkujen ja kertymäkiekkojen ymmärtämiseksi. Kahden toisiaan kiertävän mustan aukon keskinäisen radan suhteellisuusteoreettiset perusteet käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Johdannossa esitetään joitakin analyyttisiä tuloksia tällaisessa binäärissä havaittavista suhteellisuusteoreettisista ilmiöistä. Myös numeerisia menetelmiä näiden ilmiöiden tarkempaan laskemiseen esitellään. Tuloksia sovelletaan OJ287-systeemiin, ja verrataan havaintoihin. OJ287:n mustien aukkojen ratamalli muodostaa pohjan systeemin toistuvien optisten purkausten malleille. Johdannossa esitellään yksityiskohtaisemmin kaksi fysikaalista purkausmallia, ja vertaillaan niitä. Purkausten säteilyhydrodynamiikka käydään läpi, ja myös ennusteet purkausten valokäyrille johdetaan. Johdannossa esitellään myös Julkaisussa III johdettu prekursoripurkausten malli, ja osoitetaan sen sopivan yhteen OJ287:n binäärimallin kanssa. Johdanto esittelee myös relativististen suihkujen fysiikkaa sekä OJ287- systeemiin liittyen että aktiivisten galaksiydinten kontekstissa yleisesti. Relativististen suihkujen perusfysiikka esitellään, kuten myös malleja kierteisistä suihkuista. Julkaisujen II, IV ja V OJ287-systeemin suihkuja koskevat tulokset esitellään binäärimallin kontekstissa. Kokonaisuutena johdanto palvelee suppeana oppaana, joka esittelee tarvittavan fysiikan ja tarpeelliset numeeriset menetelmät mustien aukkojen binäärijärjestelmän ymmärtämiseen ja simulointiin. Tätä tarkoitusta varten johdanto yhdistää sekä perustuloksia että joitakin syvällisempiä tuloksia laajoilta fysiikan osa-alueilta kuten suhteellisuusteoriasta ja säteilyhydrodynamiikasta. Johdannon sisältämän materiaalin avulla väitöskirjan julkaisut, ja niiden esittämät tulokset, ovat hyvin ymmärrettävissä. Väitöskirjan julkaisuista ensimmäinen esittelee uusia OJ287-systeemistä saatuja havaintopisteitä, jotka on paikallistettu Harvardin yliopiston observatorion arkiston valokuvauslevyiltä. OJ287:n vuonna 1900 tapahtunut purkaus nähdään ensimmäistä kertaa näissä havaintopisteissä. Uudet havaintopisteet mahdollistivat myös vuoden 1913 purkauksen alun ajoittamisen tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista. Havaitut purkaukset mallinnettiin onnistuneesti simuloimalla OJ287-järjestelmän mustien aukkojen paria ja kertymäkiekkoa. Julkaisussa II käsitellään mekanismeja OJ287:n sekundäärisen mustan aukon spinin kasvamiseen vuorovaikutuksessa primäärin kertymäkiekon ja systeemin magneettikenttien kanssa. Julkaisussa arvioidaan maksimispinin saavuttamisen ja spinin suunnan vakiintumisen aikaskaalat kummallakin mekanismilla. Tutkimuksessa havaitaan sekundäärin spinin olevan todennäköisesti suuri. Julkaisu III esittelee OJ287-systeemissä maaliskuussa 2013 tapahtuneen purkauksen. Purkauksen havaittiin muistuttavan vuosina 1993 ja 2004 tapahtuneita purkauksia, joita kutsutaan yhteisnimityksellä prekursoripurkaus (precursor outburst). Julkaisussa esitellään purkauksen synnylle mekanismi, jossa OJ287-systeemin sekundäärinen musta aukko osuu primäärisen mustan aukon kertymäkiekon koronassa olevaan kaasupilveen. Mekanismin avulla johdetaan arviot prekursoripurkausten kirkkaudelle ja aikaskaalalle. Julkaisussa johdetaan myös ennuste seuraavan prekursoripurkauksen ajankohdalle. Julkaisussa IV käytetään vuosina 2004–2006 kerättyjä havaintoja OJ287- systeemistä lyhyiden jaksollisuuksien etsintään. Julkaisussa varmennetaan systeemissä esiintyvä n. 50 päivän kvasiperiodisuus. Lisäksi tilastollisesti merkittävät 250 päivän ja 3,5 päivän jaksollisuudet havaitaan. Julkaisussa esitetään malli, jossa primäärisen mustan aukon kertymäkiekossa oleva spiraalitiheysaalto aiheuttaa 50 päivän jaksollisuuden. Mallista tehty numeerinen simulaatio tukee tulosta. Systeemin relativistisen suihkun emittoima aikadilatoitunut säteily esitetään aiheuttajaksi 3,5 päivän jaksollisuusaikaskaalalle. Julkaisussa V sovitetaan kierresuihkumalli OJ287-systeemistä tehtyihin optisiin havaintoihin ja millimetri- sekä senttimetriaallonpituuden radiohavaintoihin. Suihkun rakenteen havaitaan olevan kaksijakoinen ja koostuvan ytimestä ja kuoresta. Suihkun kuorella on merkittävästi pienempi Lorentzin gamma-tekijä kuin suihkun ytimellä. Kuoren avautumiskulma ja Lorentztekijä sekä suihkun kierteen aallonpituus raportoidaan julkaisussa ensimmäistä kertaa.