Gaia photometry for white dwarfs

Context. White dwarfs can be used to study the structure and evolution of the Galaxy by analysing their luminosity function and initial mass function. Among them, the very cool white dwarfs provide the information for the early ages of each population. Because white dwarfs are intrinsically faint only the nearby (~ 20 pc) sample is reasonably complete. The Gaia space mission will drastically increase the sample of known white dwarfs through its 5-6 years survey of the whole sky up to magnitude V = 20-25. Aims. We provide a characterisation of Gaia photometry for white dwarfs to better prepare for the analysis of the scientific output of the mission. Transformations between some of the most common photometric systems and Gaia passbands are derived. We also give estimates of the number of white dwarfs of the different galactic populations that will be observed. Methods. Using synthetic spectral energy distributions and the most recent Gaia transmission curves, we computed colours of three different types of white dwarfs (pure hydrogen, pure helium, and mixed composition with H/He = 0.1). With these colours we derived transformations to other common photometric systems (Johnson-Cousins, Sloan Digital Sky Survey, and 2MASS). We also present numbers of white dwarfs predicted to be observed by Gaia. Results. We provide relationships and colourcolour diagrams among different photometric systems to allow the prediction and/or study of the Gaia white dwarf colours. We also include estimates of the number of sources expected in every galactic population and with a maximum parallax error. Gaia will increase the sample of known white dwarfs tenfold to about 200 000. Gaia will be able to observe thousands of very cool white dwarfs for the first time, which will greatly improve our understanding of these stars and early phases of star formation in our Galaxy.

Impingement jet cooling of end windings in a high-speed electric machine

The rotational speed of high-speed electric machines is over 15 000 rpm. These machines are compact in size when compared to the power rate. As a consequence, the heat fluxes are at a high level and the adequacy of cooling becomes an important design criterion. In the high-speed machines, the air gap between the stator and rotor is a narrow flow channel. The cooling air is produced with a fan and the flow is then directed to the air gap. The flow in the gap does not provide sufficient cooling for the stator end windings, and therefore additional cooling is required. This study investigates the heat transfer and flow fields around the coil end windings when cooling jets are used. As a result, an innovative and new assembly is introduced for the cooling jets, with the benefits of a reduced amount of hot spots, a lower pressure drop, and hence a lower power need for the cooling fan. The gained information can also be applied to improve the cooling of electric machines through geometry modifications. The objective of the research is to determine the locations of the hot spots and to find out induced pressure losses with different jet alternatives. Several possibilities to arrange the extra cooling are considered. In the suggested approach cooling is provided by using a row of air jets. The air jets have three main tasks: to cool the coils effectively by direct impingement jets, to increase and cool down the flow that enters the coil end space through the air gap, and to ensure the correct distribution of the flow by forming an air curtain with additional jets. One important aim of this study is the arrangement of cooling jets in such manner that hot spots can be avoided to wide extent. This enables higher power density in high-speed motors. This cooling system can also be applied to the ordinary electric machines when efficient cooling is needed. The numerical calculations have been performed using a commercial Computational Fluid Dynamics software. Two geometries have been generated: cylindrical for the studied machine and Cartesian for the experimental model. The main parameters include the positions, arrangements and number of jets, the jet diameters, and the jet velocities. The investigated cases have been tested with two widely used turbulence models and using a computational grid of over 500 000 cells. The experimental tests have been made by using a simplified model for the end winding space with cooling jets. In the experiments, an emphasis has been given to flow visualisation. The computational analysis shows good agreement with the experimental results. Modelling of the cooling jet arrangement enables also a better understanding of the complex system of heat transfer at end winding space.

The Besançon Galaxy Model renewed. I. Constraints on the Galactic thin disc evolution from Tycho data

Context. The understanding of Galaxy evolution can be facilitated by the use of population synthesis models, which allow to test hypotheses on the star formation history, star evolution, as well as chemical and dynamical evolution of the Galaxy. Aims. The new version of the Besanc¸on Galaxy Model (hereafter BGM) aims to provide a more flexible and powerful tool to investigate the Initial Mass Function (IMF) and Star Formation Rate (SFR) of the Galactic disc. Methods. We present a new strategy for the generation of thin disc stars which assumes the IMF, SFR and evolutionary tracks as free parameters. We have updated most of the ingredients for the star count production and, for the first time, binary stars are generated in a consistent way. We keep in this new scheme the local dynamical self-consistency as in Bienayme et al (1987). We then compare simulations from the new model with Tycho-2 data and the local luminosity function, as a first test to verify and constrain the new ingredients. The effects of changing thirteen different ingredients of the model are systematically studied. Results. For the first time, a full sky comparison is performed between BGM and data. This strategy allows to constrain the IMF slope at high masses which is found to be close to 3.0, excluding a shallower slope such as Salpeter"s one. The SFR is found decreasing whatever IMF is assumed. The model is compatible with a local dark matter density of 0.011 M pc−3 implying that there is no compelling evidence for significant amount of dark matter in the disc. While the model is fitted to Tycho2 data, a magnitude limited sample with V<11, we check that it is still consistent with fainter stars. Conclusions. The new model constitutes a new basis for further comparisons with large scale surveys and is being prepared to become a powerful tool for the analysis of the Gaia mission data.

Ilmavirtausten laskennallinen mallinnus

Diplomityössä tutkitaan kolmea erilaista virtausongelmaa CFD-mallinnuksella. Yhteistä näille ongelmille on virtaavana aineena oleva ilma. Lisäksi tapausten perinteinen mittaus on erittäin vaikeaa tai mahdotonta. Ensimmäinen tutkimusongelma on tarrapaperirainan kuivain, jonka tuotantomäärä halutaan nostaa kaksinkertaiseksi. Tämä vaatii kuivatustehon kaksinkertaistamista, koska rainan viipymäaika kuivausalueella puolittuu. Laskentayhtälöillä ja CFD-mallinnuksella tutkitaan puhallussuihkun nopeuden ja lämpötilan muutoksien vaikutusta rainan pinnan lämmön- ja massansiirtokertoimiin. Tuloksena saadaan varioitujen suureiden sekä massan- ja lämmönsiirtokertoimien välille riippuvuuskäyrät, joiden perusteella kuivain voidaan säätää parhaallamahdollisella tavalla. Toinen ongelma käsittelee suunnitteilla olevan kuparikonvertterin sekundaarihuuvan sieppausasteen optimointia. Ilman parannustoimenpiteitä käännetyn konvertterin päästöistä suurin osa karkaa ohi sekundaarihuuvan. Tilannetta tutkitaan konvertterissa syntyvän konvektiivisen nostevirtauksen eli päästöpluumin sekä erilaisten puhallussuihkuratkaisujen CFD-mallinnuksella. Tuloksena saadaan puhallussuihkuilla päästöpluumia poikkeuttava ilmaverho. Suurin osa nousevasta päästöpluumista indusoituu ilmaverhoon ja kulkeutuu poistokanavaan. Kolmas tutkittava kohde on suunnitteilla oleva kuparielektrolyysihalli, jossa ilmanvaihtoperiaatteena on luonnollinen ilmanvaihto ja mekaaninen happosumun keräysjärjestelmä. Ilmanvaihtosysteemin tehokkuus ja sisäilman virtaukset halutaan selvittää ennen hallin rakentamista. CFD-mallinnuksella ja laskentayhtälöillä tutkitaan lämpötila- ja virtauskentät sekä hallin läpi virtaava ilmamäärä ja ilmanvaihtoaste. Tulo- ja poistoilma-aukkojen mitoitukseen ja sijoitukseen liittyvät suunnitteluarvot varmennetaan sekä löydetään ilmanvaihdon ongelmakohdat. Ongelmakohtia tutkitaan ja niille esitetään parannusehdotukset.

Lämmönlähteiden aiheuttamien konvektiovirtausten vaikutus vastakkaiseen tuloilmasuihkuun

Huoneen sisäisten lämpölähteiden aiheuttamilla konvektiovirtauksilla eli pluumeilla on huomattava vaikutus ilmastointipalkkijärjestelmäntoimintaan. Tätä vaikutusta ei ole tutkittu kovin paljon. Tässä työssä tutkittiin huoneen päätyseinässä olevan sähkölämmityspatterin vaikutusta aktiivisen ilmastointipalkin toimintaan. Tutkimus kohdistui vastakkaisten suihkujen törmäykseen. Suihkuina olivat pluumit ja tuloilmavirtaus. Tutkimukseen kuului sekä teoreettinen että kokeellinen osio. Teoreettisessa tarkastelussa käytiin läpi ilmastointipalkin teoriaa sekä konvektiovirtausten muodostumisen teoriaa. Lisäksi esitettiin, kuinka suihkuista lasketaan liikemäärävirta. Kokeellisessa osiossa mitattiin huoneen sisäisten lämpölähteiden aiheuttamia pluumeja. Lämpölähteet oli sijoitettuina tutkimushuoneen päätyseinän viereen. Mittauksissa keskityttiin tarkemmin sähkölämmityspatteriin ja sitä mallinnettiin eri tehoilla. Lisäksi mitattiin ilmastointipalkin tuloilmavirtausta eri ilmamäärillä. Pluumien ja tuloilmavirtauksen törmäyskäyttäytymistä selvitettiin savukuvauksella. Analyysiosiossa sähkölämmityspatterin aiheuttaman pluumin ja palkin tuloilmavirtauksen törmäyskäyttäytymiselle kehitettiin malli. Mallissa huomioitiin vastaikkaisten törmäävien suihkujen liikemäärät ja esitettiin kohdat tutkimushuoneen pituussuunnassa, jossa tuloilmavirtaus kääntyy oleskeluvyöhykkeelle. Ilmastointipalkkijärjestelmässä tuloilmavirtauksen tulisi kääntyä oleskeluvyöhykkeelle vasta huoneen seinustalla. Tutkimuksen perusteella näin käy, jos pluumin liikemäärä on noin 10% tai vähemmän tuloilman liikemäärästä. Muulloin palkin tuloilmavirtaus kääntyy oleskeluvyöhykkeelle liian aikaisin ja aiheuttaa mahdollisestivedontunnetta.

Selluradan leijutus ja hallinta ilmakuivaimessa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia selluradan leijutusta sekä hallintaa kapealla ja täysleveällä selluradalla ilmakuivaimessa. Työn sisältö on jaettu neljään osaan teoriaan, numeeriseen virtauslaskentaan, kokeelliseen osuuteen ja johtopäätöksiin. Työn alussa kiinnitettiin huomiota ilmakuivaimen ja selluradan rakenteeseen, selluradan lujuusominaisuuksiin ja niiden testaamiseen laboratorio-oloissa. Teoria osuudessa tarkasteltiin selluradan leijutusteoriaa ja siihen liittyvää virtaustekniikkaa. Leijutusta kuvattiin mekaniikasta tutun vapaakappalekuvan muodossa. Vapaakappalekuva auttaa ymmärtämään sellurataan vaikuttavia voimia ja niiden aiheuttajia. Numeerisessa virtauslaskennassa rakennettiin Fluent -virtauslaskentamalli. Malli kuvaa leijutussuuttimen alusta 0,2 metrin pituista pätkää. Laskennassa simuloitiin selluradan lei-jutusta 2, 5 ja 7 mm etäisyyksillä. Tuloksia tarkasteltiin paine- ja nopeusjakaumien muodossa. Kokeellisessa osuudessa tehtiin mittauksia yksittäisellä ylä- ja alasuuttimella sekä suutinpaketilla. Yksittäisistä suuttimista mitattiin ilmasuihkujen ulostulokulmaa, suuttimensisäistä painejakaumaa ja selluradan pintaan vaikuttavaa staattista painetta suuttimen pituuden funktiona. Suutinpaketilla tutkittiin ilmasuihkujen ja tasomaisen levyn välistä vuorovaikutusta. Ylä- ja alasuuttimen välissä leijutettiin levyä, josta mitattiin ilmasuihkujen aiheuttama z-suuntainen voima ja leijutuskorkeus. Työn lopussa arvioitiin teorian, numeerisen virtauslaskennan ja kokeellisen osuuden tuloksia. Näiden pohjalta tehtiin teknisiä parannusehdotuksia ilmakuivaimen toiminnan tehostamiseksi ja selluradan hallinnan parantamiseksi kapealla ja täysleveällä selluradalla.

Titanyylisulfaatin elektrolyyttisen pelkistyslaitoksen esisuunnitelma

Työssä esisuunniteltiin Kemira Pigments Oy:lle uusi titanyylisulfaatin elektrolyyttinen pelkistyslaitos. Suurin syy uuden laitoksen suunnitteluun oli nykyisen laitoksen aiheuttamat korkeat H2SO4-pitoisuudet pelkistyslaitoksen läheisyydessä. Työn kirjallisuusosassa käsitellään elektrolyysilaitteiston suunnitteluun liittyviä seikkoja ja esitellään titanyylisulfaatin elektrolyyttiseen pelkistykseen liittyvää tutkimustietoa. Ennen uuden laitoksen suunnittelua suoritettiin nykyisellä pelkistyslaitoksella koeajoja, joiden tarkoituksena oli antaa lähtötiedot uuden laitoksen suunnittelulle. Koeajot osoittivat mm., että pelkistys on edullisinta suorittaa alhaisella virrantiheydellä n. 300…400 A/m2 ja vesilaimennuksen avulla anolyytin H2SO4-pitoisuus saadaan säädettyä tasolle, jossa titaani ei saostu. Kärynpoistoyhteisiin asennettujen pesuvesisuuttimien avulla saatiin titaanin saostuminen kärynpoistokanaviin estettyä. Uudesta titanyylisulfaatin elektrolyyttisestä pelkistyslaitoksesta laadittiin mm. seuraavat dokumentit: prosessin virtauskaavio ja ainevirtakenttä, PI-kaavio, layout-kuvat laitoksesta ja sen sijoituksesta sekä rakennepiirros elektrolyysialtaasta. Hankkeelle tehtiin kustannusarvio tarkkuudella ±20 %, jonka loppusummaksi saatiin 1 489 000 €. Laitoksen vuotuisten käyttökustannuksien arvioitiin olevan n. 105 000 €. Investoinnista aiheutuvien vuotuisten annuiteettikustannusten arvioitiin olevan n. 237 000 € 16,3 % korolla.

Kerrosleijukattilan sekundääri-ilmansyöttöjärjestelmän kehittäminen

Työn tarkoituksena oli kehittää kerrosleijukattilan sekundääri-ilmansyöttöä. Työssä tutkittiin tulipesässä ilmasuihkujen käyttäytymiseen vaikuttavia tekijöitä sekä eri ilmansyöttömallien vaikutuksia tulipesäolosuhteisiin. Sekundääri- ja tertiääri-ilmasuihkujen tehtävänä on sekoittaa tulipesän kaasuja sekä tuoda happi leijupetin yläpuolelle haihtuneiden aineiden palamisen loppuun saattamiseksi. Kaasujen sekoittumiseen vaikuttavat ilmasuihkun ja ristivirtauksen liikemäärien suhde, suutinten koko ja sijoittelu toisiinsa nähden. Ilmasuihku saavuttaa paremman tunkeutuvuuden ja siten tehokkaamman sekoittumisen suuttimen koon kasvaessa. Lisäksi tunkeutuvuus paranee suutinten välisen etäisyyden sekä ilmasuihkun ja ristivirtauksen liikemäärien suhteen kasvaessa. Optimaalisen suutinten välisen etäisyyden osoitettiin riippuvan suuttimen ja tulipesän koosta sekä ilmasuihkun ja ristivirtauksen liikemäärien suhteesta. Saatujen tulosten mukaan sekundääri- ja tertiääri-ilmatasoilla tulee suosia suuria harvaan ja lomittain sijoitettuja suuttimia. Ilmansyöttömalleja tutkittiin numeerisesti mallintamalla, ja saatujen tulosten perusteella tehokkain sekoittuminen saavutettiin sijoittamalla sekundääri-ilmasuuttimet tulipesän kahdelle vastakkaiselle seinälle.

Gaia photometry for white dwarfs

Context. White dwarfs can be used to study the structure and evolution of the Galaxy by analysing their luminosity function and initial mass function. Among them, the very cool white dwarfs provide the information for the early ages of each population. Because white dwarfs are intrinsically faint only the nearby (~ 20 pc) sample is reasonably complete. The Gaia space mission will drastically increase the sample of known white dwarfs through its 5-6 years survey of the whole sky up to magnitude V = 20-25. Aims. We provide a characterisation of Gaia photometry for white dwarfs to better prepare for the analysis of the scientific output of the mission. Transformations between some of the most common photometric systems and Gaia passbands are derived. We also give estimates of the number of white dwarfs of the different galactic populations that will be observed. Methods. Using synthetic spectral energy distributions and the most recent Gaia transmission curves, we computed colours of three different types of white dwarfs (pure hydrogen, pure helium, and mixed composition with H/He = 0.1). With these colours we derived transformations to other common photometric systems (Johnson-Cousins, Sloan Digital Sky Survey, and 2MASS). We also present numbers of white dwarfs predicted to be observed by Gaia. Results. We provide relationships and colour-colour diagrams among different photometric systems to allow the prediction and/or study of the Gaia white dwarf colours. We also include estimates of the number of sources expected in every galactic population and with a maximum parallax error. Gaia will increase the sample of known white dwarfs tenfold to about 200 000. Gaia will be able to observe thousands of very cool white dwarfs for the first time, which will greatly improve our understanding of these stars and early phases of star formation in our Galaxy.

Radio Imaging of the Very-High-Energy γ-Ray Emission Region in the Central Engine of a Radio Galaxy

The accretion of matter onto a massive black hole is believed to feed the relativistic plasma jets found in many active galactic nuclei (AGN). Although some AGN accelerate particles to energies exceeding 1012 electron volts and are bright sources of very-high-energy (VHE) γ-ray emission, it is not yet known where the VHE emission originates. Here we report on radio and VHE observations of the radio galaxy Messier 87, revealing a period of extremely strong VHE γ-ray flares accompanied by a strong increase of the radio flux from its nucleus. These results imply that charged particles are accelerated to very high energies in the immediate vicinity of the black hole.

The 2010 May Flaring Episode of Cygnus X-3 in Radio, X-rays, and γ-rays

In 2009, Cygnus X-3 (Cyg X-3) became the first microquasar to be detected in the GeV γ-ray regime, via the satellites Fermi and AGILE. The addition of this new band to the observational toolbox holds promise for building a more detailed understanding of the relativistic jets of this and other systems. We present a rich data set of radio, hard and soft X-ray, and γ-ray observations of Cyg X-3 made during a flaring episode in 2010 May. We detect a ~3 day softening and recovery of the X-ray emission, followed almost immediately by a ~1 Jy radio flare at 15 GHz, followed by a 4.3σ γ-ray flare (E > 100 MeV) ~1.5 days later. The radio sampling is sparse, but we use archival data to argue that it is unlikely the γ-ray flare was followed by any significant unobserved radio flares. In this case, the sequencing of the observed events is difficult to explain in a model in which the γ-ray emission is due to inverse Compton scattering of the companion star's radiation field. Our observations suggest that other mechanisms may also be responsible for γ-ray emission from Cyg X-3.

Deep radio images of the HEGRA and Whipple TeV sources in the Cygnus OB2 region.

The modern generation of Cherenkov telescopes has revealed a new population of gamma-ray sources in the Galaxy. Some of them have been identified with previously known X-ray binary systems while other remain without clear counterparts a lower energies. Our initial goal here was reporting on extensive radio observations of the first extended and yet unidentified source, namely TeV J2032+4130. This object was originally detected by the HEGRA telescope in the direction of the Cygnus OB2 region and its nature has been a matter of debate during the latest years. The situation has become more complex with the Whipple and MILAGRO telescopes new TeV detections in the same field which could be consistent with the historic HEGRA source, although a different origin cannot be ruled out. Aims.We aim to pursue our radio exploration of the TeV J2032+4130 position that we initiated in a previous paper but taking now into account the latest results from new Whipple and MILAGRO TeV telescopes. The data presented here are an extended follow up of our previous work. Methods.Our investigation is mostly based on interferometric radio observations with the Giant Metre Wave Radio Telescope (GMRT) close to Pune (India) and the Very Large Array (VLA) in New Mexico (USA). We also conducted near infrared observations with the 3.5 m telescope and the OMEGA2000 camera at the Centro Astronómico Hispano Alemán (CAHA) in Almería (Spain). Results.We present deep radio maps centered on the TeV J2032+4130 position at different wavelengths. In particular, our 49 and 20 cm maps cover a field of view larger than half a degree that fully includes the Whipple position and the peak of MILAGRO emission. Our most important result here is a catalogue of 153 radio sources detected at 49 cm within the GMRT antennae primary beam with a full width half maximum (FWHM) of 43 arc-minute. Among them, peculiar sources inside the Whipple error ellipse are discussed in detail, including a likely double-double radio galaxy and a one-sided jet source of possible blazar nature. This last object adds another alternative counterpart possibility to be considered for both the HEGRA, Whipple and MILAGRO emission. Moreover, our multi-configuration VLA images reveal the non-thermal extended emission previously reported by us with improved angular resolution. Its non-thermal spectral index is also confirmed thanks to matching beam observations at the 20 and 6 cm wavelengths.

Studying the non-thermal lobes of IRAS 16547-4247 through a multi-wavelength approach

In recent years, massive protostars have turned out to be a possible population of high-energy emitters. Among the best candidates is IRAS 16547-4247, a protostar that presents a powerful outflow with clear signatures of interaction with its environment. This source has been revealed to be a potential high-energy source because it displays non-thermal radio emission of synchrotron origin, which is evidence of relativistic particles. To improve our understanding of IRAS 16547-4247 as a high-energy source, we analyzed XMM-Newton archival data and found that IRAS 16547-4247 is a hard X-ray source. We discuss these results in the context of a refined one-zone model and previous radio observations. From our study we find that it may be difficult to explain the X-ray emission as non-thermal radiation coming from the interaction region, but it might be produced by thermal Bremsstrahlung (plus photo-electric absorption) by a fast shock at the jet end. In the high-energy range, the source might be detectable by the present generation of Cherenkov telescopes, and may eventually be detected by Fermi in the GeV range.

A microquasar model applied to unidentified gamma-ray sources

Among unidentified gamma-ray sources in the galactic plane, there are some that present significant variability and have been proposed to be high-mass microquasars. To deepen the study of the possible association between variable low galactic latitude gamma-ray sources and microquasars, we have applied a leptonic jet model based on the microquasar scenario that reproduces the gamma-ray spectrum of three unidentified gamma-ray sources, 3EG J1735-1500, 3EG J1828+0142 and GRO J1411-64, and is consistent with the observational constraints at lower energies. We conclude that if these sources were generated by microquasars, the particle acceleration processes could not be as efficient as in other objects of this type that present harder gamma-ray spectra. Moreover, the dominant mechanism of high-energy emission should be synchrotron self-Compton (SSC) scattering, and the radio jets may only be observed at low frequencies. For each particular case, further predictions of jet physical conditions and variability generation mechanisms have been made in the context of the model. Although there might be other candidates able to explain the emission coming from these sources, microquasars cannot be excluded as counterparts. Observations performed by the next generation of gamma-ray instruments, like GLAST, are required to test the proposed model.