Self-consistency in non-extensive thermodynamics of highly excited hadronic states

The self-consistency of a thermodynamical theory for hadronic systems based on the non-extensive statistics is investigated. We show that it is possible to obtain a self-consistent theory according to the asymptotic bootstrap principle if the mass spectrum and the energy density increase q-exponentially. A direct consequence is the existence of a limiting effective temperature for the hadronic system. We show that this result is in agreement with experiments. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dynamik orographischer Bannerwolken

Der Begriff "Bannerwolke" bezeichnet ein eindrucksvolles Phänomen aus dem Bereich der Gebirgsmeteorologie. Bannerwolken können gelegentlich im Hochgebirge im Bereich steiler Bergspitzen oder langgezogener Bergrücken, wie z.B. dem Matterhorn in den Schweizer Alpen oder dem Zugspitzgrat in den Bayrischen Alpen beobachtet werden. Der Begriff bezeichnet eine Banner- oder Fahnen-ähnliche Wolkenstruktur, welche an der windabgewandten Seite des Berges befestigt zu sein scheint, während die windzugewandte Seite vollkommen wolkenfrei ist. Bannerwolken fanden bislang, trotz ihres relativ häufigen Auftretens in der wissenschaftlichen Literatur kaum Beachtung. Entsprechend wenig ist über ihren Entstehungsmechanismus und insbesondere die relative Bedeutung dynamischer gegenüber thermodynamischer Prozesse bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur wurden bislang 3 unterschiedliche Mechanismen postuliert, um die Entstehung von Bannerwolken zu erklären. Demnach entstehen Bannerwolken durch (a) den Bernoulli-Effekt, insbesondere durch die lokale adiabatische Kühlung hervorgerufen durch eine Druckabnahme entlang quasi-horizontal verlaufender, auf der windzugewandten Seite startender Trajektorien, (b) durch isobare Mischung bodennaher kälterer Luft mit wärmerer Luft aus höheren Schichten, oder (c) durch erzwungene Hebung im aufsteigenden Ast eines Leerotors. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres physikalisches Verständnis für das Phänomen der Bannerwolke zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem dominierenden Entstehungsmechanismus, der relativen Bedeutung dynamischer und thermodynamischer Prozesse, sowie der Frage nach geeigneten meteorologischen Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Grobstruktursimulations (LES)-Modell entwickelt, welches geeignet ist turbulente, feuchte Strömungen in komplexem Terrain zu untersuchen. Das Modell baut auf einem bereits existierenden mesoskaligen (RANS) Modell auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neue Modell ausführlich gegen numerische Referenzlösungen und Windkanal-Daten verglichen. Die wesentlichen Ergebnisse werden diskutiert, um die Anwendbarkeit des Modells auf die vorliegende wissenschaftliche Fragestellung zu überprüfen und zu verdeutlichen. Die Strömung über eine idealisierte pyramidenförmige Bergspitze wurde für Froude-Zahlen Fr >> 1 sowohl auf Labor- als auch atmosphärischer Skala mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Bannerwolken ein primär dynamisches Phänomen darstellen. Sie entstehen im Lee steiler Bergspitzen durch dynamisch erzwungene Hebung. Die Simulationen bestätigen somit die Leerotor-Theorie. Aufgrund des stark asymmetrischen, Hindernis-induzierten Strömungsfeldes können Bannerwolken sogar im Falle horizontal homogener Anfangsbedingungen hinsichtlich Feuchte und Temperatur entstehen. Dies führte zu der neuen Erkenntnis, dass zusätzliche leeseitige Feuchtequellen, unterschiedliche Luftmassen in Luv und Lee, oder Strahlungseffekte keine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Bannerwolke darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bannerwolkenbildung steigt mit zunehmender Höhe und Steilheit des pyramidenförmigen Hindernisses und ist in erster Näherung unabhängig von dessen Orientierung zur Anströmung. Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik machen deutlich, dass thermodynamische Prozesse (insbes. die Umsetzung latenter Wärme) für die Dynamik prototypischer (nicht-konvektiver) Bannerwolken zweitrangig ist. Die Verstärkung des aufsteigenden Astes im Lee und die resultierende Wolkenbildung, hervorgerufen durch die Freisetzung latenter Wärme, sind nahezu vernachlässigbar. Die Feuchtephysik induziert jedoch eine Dipol-ähnliche Struktur im Vertikalprofil der Brunt-Väisälä Frequenz, was zu einem moderaten Anstieg der leeseitigen Turbulenz führt. Es wird gezeigt, dass Gebirgswellen kein entscheidendes Ingredienz darstellen, um die Dynamik von Bannerwolken zu verstehen. Durch eine Verstärkung der Absinkbewegung im Lee, haben Gebirgswellen lediglich die Tendenz die horizontale Ausdehnung von Bannerwolken zu reduzieren. Bezüglich geeigneter meteorologischer Bedingungen zeigen die Simulationen, dass unter horizontal homogenen Anfangsbedingungen die äquivalentpotentielle Temperatur in der Anströmung mit der Höhe abnehmen muss. Es werden 3 notwendige und hinreichende Kriterien, basierend auf dynamischen und thermodynamischen Variablen vorgestellt, welche einen weiteren Einblick in geeignete meteorologische Bedingungen geben.

ATMOSPHERIC RETRIEVAL ANALYSIS OF THE DIRECTLY IMAGED EXOPLANET HR 8799b

Directly imaged exoplanets are unexplored laboratories for the application of the spectral and temperature retrieval method, where the chemistry and composition of their atmospheres are inferred from inverse modeling of the available data. As a pilot study, we focus on the extrasolar gas giant HR 8799b, for which more than 50 data points are available. We upgrade our non-linear optimal estimation retrieval method to include a phenomenological model of clouds that requires the cloud optical depth and monodisperse particle size to be specified. Previous studies have focused on forward models with assumed values of the exoplanetary properties; there is no consensus on the best-fit values of the radius, mass, surface gravity, and effective temperature of HR 8799b. We show that cloud-free models produce reasonable fits to the data if the atmosphere is of super-solar metallicity and non-solar elemental abundances. Intermediate cloudy models with moderate values of the cloud optical depth and micron-sized particles provide an equally reasonable fit to the data and require a lower mean molecular weight. We report our best-fit values for the radius, mass, surface gravity, and effective temperature of HR 8799b. The mean molecular weight is about 3.8, while the carbon-to-oxygen ratio is about unity due to the prevalence of carbon monoxide. Our study emphasizes the need for robust claims about the nature of an exoplanetary atmosphere to be based on analyses involving both photometry and spectroscopy and inferred from beyond a few photometric data points, such as are typically reported for hot Jupiters.

Extratropical fronts in the lower troposphere-global perspectives obtained from two automated methods

In this study two commonly used automated methods to detect atmospheric fronts in the lower troposphere are compared in various synoptic situations. The first method is a thermal approach, relying on the gradient of equivalent potential temperature (TH), while the second method is based on temporal changes in the 10 m wind (WND). For a comprehensive objective comparison of the outputs of these methods of frontal identification, both schemes are firstly applied to an idealised strong baroclinic wave simulation in the absence of topography. Then, two case-studies (one in the Northern Hemisphere (NH) and one in the Southern Hemisphere (SH)) were conducted to contrast fronts detected by the methods. Finally, we obtain global winter and summer frontal occurrence climatologies (derived from ERA-Interim for 1979–2012) and compare the structure of these. TH is able to identify cold and warm fronts in strong baroclinic cases that are in good agreement with manual analyses. WND is particularly suited for the detection of strongly elongated, meridionally oriented moving fronts, but has very limited ability to identify zonally oriented warm fronts. We note that the areas of the main TH frontal activity are shifted equatorwards compared to the WND patterns and are located upstream of regions of main WND front activity. The number of WND fronts in the NH shows more interseasonal variations than TH fronts, decreasing by more than 50% from winter to summer. In the SH there is a weaker seasonal variation of the number of observed WND fronts, however TH front activity reduces from summer (DJF) to winter (JJA). The main motivation is to give an overview of the performance of these methods, such that researchers can choose the appropriate one for their particular interest.

Study of rapid ionisation for simulation of soft X-ray lasers with the 2D hydro-radiative code ARWEN

We present our fast ionisation routine used to study transient softX-raylasers with ARWEN, a two-dimensional hydrodynamic code incorporating adaptative mesh refinement (AMR) and radiative transport. We compute global rates between ion stages assuming an effective temperature between singly-excited levels of each ion. A two-step method is used to obtain in a straightforward manner the variation of ion populations over long hydrodynamic time steps. We compare our model with existing theoretical results both stationary and transient, finding that the discrepancies are moderate except for large densities. We simulate an existing Molybdenum Ni-like transient softX-raylaser with ARWEN. Use of the fast ionisation routine leads to a larger increase in temperature and a larger gain zone than when LTE datatables are used.

The magnetically-active, low-mass, triple system WDS 19312+3607 (Research Note)

Aims. We investigated in detail the system WDS 19312+3607, whose primary is an active M4.5Ve star previously inferred to be young (τ ~ 300–500 Ma) based on its high X-ray luminosity. Methods. We collected intermediate- and low-resolution optical spectra taken with 2 m-class telescopes, photometric data from the B to 8 μm bands, and data for eleven astrometric epochs with a time baseline of over 56 years for the two components in the system, G 125–15 and G 125–14. Results. We derived the M4.5V spectral types of both stars, confirmed their common proper motion, estimated their heliocentric distance and projected physical separation, determined their Galactocentric space velocities, and deduced a most-probable age of older than 600 Ma. We discovered that the primary, G 125–15, is an inflated, double-lined, spectroscopic binary with a short period of photometric variability of 1.6 d, which we associated with orbital synchronisation. The observed X-ray and Hα emissions, photometric variability, and abnormal radius and effective temperature of G 125–15 AB are indicative of strong magnetic activity, possibly because of the rapid rotation. In addition, the estimated projected physical separation between G 125–15 AB and G 125–14 of about 1200 AU ensures that WDS 19312+3607 is one of the widest systems with intermediate M-type primaries. Conclusions. G 125–15 AB is a nearby (d ≈ 26 pc), bright (J ≈ 9.6 mag), active spectroscopic binary with a single proper-motion companion of the same spectral type at a wide separation. They are thus ideal targets for specific follow-ups to investigate wide and close multiplicity or stellar expansion and surface cooling because of the lower convective efficiency.

Developments in the Theory of X-ray Absorption and Compton Scattering.

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Exploitation du potentiel sismique des étoiles naines blanches

Le but de cette thèse est d’explorer le potentiel sismique des étoiles naines blanches pulsantes, et en particulier celles à atmosphères riches en hydrogène, les étoiles ZZ Ceti. La technique d’astérosismologie exploite l’information contenue dans les modes normaux de vibration qui peuvent être excités lors de phases particulières de l’évolution d’une étoile. Ces modes modulent le flux émergent de l’étoile pulsante et se manifestent principalement en termes de variations lumineuses multi-périodiques. L’astérosismologie consiste donc à examiner la luminosité d’étoiles pulsantes en fonction du temps, afin d’en extraire les périodes, les amplitudes apparentes, ainsi que les phases relatives des modes de pulsation détectés, en utilisant des méthodes standards de traitement de signal, telles que des techniques de Fourier. L’étape suivante consiste à comparer les périodes de pulsation observées avec des périodes générées par un modèle stellaire en cherchant l’accord optimal avec un modèle physique reconstituant le plus fidèlement possible l’étoile pulsante. Afin d’assurer une recherche optimale dans l’espace des paramètres, il est nécessaire d’avoir de bons modèles physiques, un algorithme d’optimisation de comparaison de périodes efficace, et une puissance de calcul considérable. Les périodes des modes de pulsation de modèles stellaires de naines blanches peuvent être généralement calculées de manière précise et fiable sur la base de la théorie linéaire des pulsations stellaires dans sa version adiabatique. Afin de définir dans son ensemble un modèle statique de naine blanche propre à l’analyse astérosismologique, il est nécessaire de spécifier la gravité de surface, la température effective, ainsi que différents paramètres décrivant la disposition en couche de l’enveloppe. En utilisant parallèlement les informations obtenues de manière indépendante (température effective et gravité de surface) par la méthode spectroscopique, il devient possible de vérifier la validité de la solution obtenue et de restreindre de manière remarquable l’espace des paramètres. L’exercice astérosismologique, s’il est réussi, mène donc à la détermination précise des paramètres de la structure globale de l’étoile pulsante et fournit de l’information unique sur sa structure interne et l’état de sa phase évolutive. On présente dans cette thèse l’analyse complète réussie, de l’extraction des fréquences à la solution sismique, de quatre étoiles naines blanches pulsantes. Il a été possible de déterminer les paramètres structuraux de ces étoiles et de les comparer remarquablement à toutes les contraintes indépendantes disponibles dans la littérature, mais aussi d’inférer sur la dynamique interne et de reconstruire le profil de rotation interne. Dans un premier temps, on analyse le duo d’étoiles ZZ Ceti, GD 165 et Ross 548, afin de comprendre les différences entre leurs propriétés de pulsation, malgré le fait qu’elles soient des étoiles similaires en tout point, spectroscopiquement parlant. L’analyse sismique révèle des structures internes différentes, et dévoile la sensibilité de certains modes de pulsation à la composition interne du noyau de l’étoile. Afin de palier à cette sensibilité, nouvellement découverte, et de rivaliser avec les données de qualité exceptionnelle que nous fournissent les missions spatiales Kepler et Kepler2, on développe une nouvelle paramétrisation des profils chimiques dans le coeur, et on valide la robustesse de notre technique et de nos modèles par de nombreux tests. Avec en main la nouvelle paramétrisation du noyau, on décroche enfin le ”Saint Graal” de l’astérosismologie, en étant capable de reproduire pour la première fois les périodes observées à la précision des observations, dans le cas de l’étude sismique des étoiles KIC 08626021 et de GD 1212.

Discovery of WASP-113b and WASP-114b, two inflated hot-Jupiters with contrasting densities

We present the discovery and characterisation of the exoplanets WASP-113b and WASP-114b by the WASP survey, SOPHIE and CORALIE. The planetary nature of the systems was established by performing follow-up photometric and spectroscopic observations. The follow-up data were combined with the WASP-photometry and analysed with an MCMC code to obtain system parameters. The host stars WASP-113 and WASP-114 are very similar. They are both early G-type stars with an effective temperature of ~5900K, [Fe/H] ~0.12 and T_{eff} ~4.1 dex. However, WASP-113 is older than WASP-114. Although the planetary companions have similar radii, WASP-114b is almost 4 times heavier than WASP-113b. WASP-113b has a mass of 0.48 M_{Jup} and an orbital period of ~4.5 days; WASP-114b has a mass of 1.77 M_{Jup} and an orbital period of ~1.5 days. Both planets have inflated radii, in particular WASP-113 with a radius anomaly of Re=0.35. The high scale height of WASP-113b (~950 km ) makes it a good target for follow-up atmospheric observations.

Exploitation du potentiel sismique des étoiles naines blanches

Le but de cette thèse est d’explorer le potentiel sismique des étoiles naines blanches pulsantes, et en particulier celles à atmosphères riches en hydrogène, les étoiles ZZ Ceti. La technique d’astérosismologie exploite l’information contenue dans les modes normaux de vibration qui peuvent être excités lors de phases particulières de l’évolution d’une étoile. Ces modes modulent le flux émergent de l’étoile pulsante et se manifestent principalement en termes de variations lumineuses multi-périodiques. L’astérosismologie consiste donc à examiner la luminosité d’étoiles pulsantes en fonction du temps, afin d’en extraire les périodes, les amplitudes apparentes, ainsi que les phases relatives des modes de pulsation détectés, en utilisant des méthodes standards de traitement de signal, telles que des techniques de Fourier. L’étape suivante consiste à comparer les périodes de pulsation observées avec des périodes générées par un modèle stellaire en cherchant l’accord optimal avec un modèle physique reconstituant le plus fidèlement possible l’étoile pulsante. Afin d’assurer une recherche optimale dans l’espace des paramètres, il est nécessaire d’avoir de bons modèles physiques, un algorithme d’optimisation de comparaison de périodes efficace, et une puissance de calcul considérable. Les périodes des modes de pulsation de modèles stellaires de naines blanches peuvent être généralement calculées de manière précise et fiable sur la base de la théorie linéaire des pulsations stellaires dans sa version adiabatique. Afin de définir dans son ensemble un modèle statique de naine blanche propre à l’analyse astérosismologique, il est nécessaire de spécifier la gravité de surface, la température effective, ainsi que différents paramètres décrivant la disposition en couche de l’enveloppe. En utilisant parallèlement les informations obtenues de manière indépendante (température effective et gravité de surface) par la méthode spectroscopique, il devient possible de vérifier la validité de la solution obtenue et de restreindre de manière remarquable l’espace des paramètres. L’exercice astérosismologique, s’il est réussi, mène donc à la détermination précise des paramètres de la structure globale de l’étoile pulsante et fournit de l’information unique sur sa structure interne et l’état de sa phase évolutive. On présente dans cette thèse l’analyse complète réussie, de l’extraction des fréquences à la solution sismique, de quatre étoiles naines blanches pulsantes. Il a été possible de déterminer les paramètres structuraux de ces étoiles et de les comparer remarquablement à toutes les contraintes indépendantes disponibles dans la littérature, mais aussi d’inférer sur la dynamique interne et de reconstruire le profil de rotation interne. Dans un premier temps, on analyse le duo d’étoiles ZZ Ceti, GD 165 et Ross 548, afin de comprendre les différences entre leurs propriétés de pulsation, malgré le fait qu’elles soient des étoiles similaires en tout point, spectroscopiquement parlant. L’analyse sismique révèle des structures internes différentes, et dévoile la sensibilité de certains modes de pulsation à la composition interne du noyau de l’étoile. Afin de palier à cette sensibilité, nouvellement découverte, et de rivaliser avec les données de qualité exceptionnelle que nous fournissent les missions spatiales Kepler et Kepler2, on développe une nouvelle paramétrisation des profils chimiques dans le coeur, et on valide la robustesse de notre technique et de nos modèles par de nombreux tests. Avec en main la nouvelle paramétrisation du noyau, on décroche enfin le ”Saint Graal” de l’astérosismologie, en étant capable de reproduire pour la première fois les périodes observées à la précision des observations, dans le cas de l’étude sismique des étoiles KIC 08626021 et de GD 1212.

Recherche et analyse d'étoiles naines blanches chimiquement stratiées dans le Sloan Digital Sky Survey

Ce mémoire présente une recherche détaillée et une analyse des étoiles naines blanches hybrides chimiquement stratifiées dans le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Une seule étoile stratifiée, PG 1305-017, était connue avant notre recherche. L'objectif principal est de confirmer l'existence de plusieurs nouvelles étoiles stratifiées. Pour ce faire, il a fallu dans un premier temps développer une nouvelle génération de modèles d'atmosphère à partir de ceux de Bergeron et al. (1991) et Tremblay & Bergeron (2009). Nous y avons ajouté l'opacité de toutes les raies d'hélium et les calculs nécessaires pour tenir compte de la stratification chimique de l'atmosphère, où une mince quantité d’hydrogène flotte en équilibre diffusif au-dessus d’une enveloppe massive d’hélium. En parallèle, nous avons aussi calculé des modèles standards, chimiquement homogènes. Ensuite, nous avons sélectionné des naines blanches chaudes (Teff > 30,000 K) de type spectral hybride (traces d'hélium et d'hydrogène) parmi les ~38,000 naines blanches répertoriées dans le SDSS. Un total de 52 spectres d'étoile a été retenu dans notre échantillon final. La technique spectroscopique, c'est-à-dire l'ajustement des raies spectrales des modèles sur un spectre observé, a été appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon. Nous avons ainsi mesuré la température effective, la gravité de surface et la composition chimique de l'atmosphère de ces étoiles. Par l'ajustement simultané de modèles stratifiés et homogènes, nous avons aussi pu déterminer si les étoiles étaient stratifiées ou non. Nous identifions ainsi 14 naines blanches stratifiées. Nous tirons de ces résultats plusieurs conclusions sur les processus physiques expliquant la présence d'hélium dans l'atmosphère.

Recherche et analyse d'étoiles naines blanches chimiquement stratiées dans le Sloan Digital Sky Survey

Ce mémoire présente une recherche détaillée et une analyse des étoiles naines blanches hybrides chimiquement stratifiées dans le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Une seule étoile stratifiée, PG 1305-017, était connue avant notre recherche. L'objectif principal est de confirmer l'existence de plusieurs nouvelles étoiles stratifiées. Pour ce faire, il a fallu dans un premier temps développer une nouvelle génération de modèles d'atmosphère à partir de ceux de Bergeron et al. (1991) et Tremblay & Bergeron (2009). Nous y avons ajouté l'opacité de toutes les raies d'hélium et les calculs nécessaires pour tenir compte de la stratification chimique de l'atmosphère, où une mince quantité d’hydrogène flotte en équilibre diffusif au-dessus d’une enveloppe massive d’hélium. En parallèle, nous avons aussi calculé des modèles standards, chimiquement homogènes. Ensuite, nous avons sélectionné des naines blanches chaudes (Teff > 30,000 K) de type spectral hybride (traces d'hélium et d'hydrogène) parmi les ~38,000 naines blanches répertoriées dans le SDSS. Un total de 52 spectres d'étoile a été retenu dans notre échantillon final. La technique spectroscopique, c'est-à-dire l'ajustement des raies spectrales des modèles sur un spectre observé, a été appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon. Nous avons ainsi mesuré la température effective, la gravité de surface et la composition chimique de l'atmosphère de ces étoiles. Par l'ajustement simultané de modèles stratifiés et homogènes, nous avons aussi pu déterminer si les étoiles étaient stratifiées ou non. Nous identifions ainsi 14 naines blanches stratifiées. Nous tirons de ces résultats plusieurs conclusions sur les processus physiques expliquant la présence d'hélium dans l'atmosphère.

Effective control of nanostructured phases in rapid, room-temperature synthesis of nanocrystalline Si in high-density plasmas

An innovative and effective approach based on low-pressure, low-frequency, thermally nonequilibrium, high-density inductively coupled plasmas is proposed to synthesize device-quality nanocrystalline silicon (nc-Si) thin films at room temperature and with very competitive growth rates. The crystallinity and microstructure properties (including crystal structure, crystal volume fraction, surface morphology, etc.) of this nanostructured phase of Si can be effectively tailored in broad ranges for different device applications by simply varying the inductive rf power density from 25.0 to 41.7 mW/cm3. In particular, at a moderate rf power density of 41.7 mW/cm3, the nc-Si films feature a very high growth rate of 2.37 nm/s, a high crystalline fraction of 86%, a vertically aligned columnar structure with the preferential (111) growth orientation and embedded Si quantum dots, as well as a clean, smooth and defect-free interface. We also propose the formation mechanism of nc-Si thin films which relates the high electron density and other unique properties of the inductively coupled plasmas and the formation of the nanocrystalline phase on the Si surface.

Self-organized ZnO nanodot arrays : effective control using SiNx interlayers and low-temperature plasmas

An advanced inductively coupled plasma (ICP)-assisted rf magnetron sputtering deposition method is developed to synthesize regular arrays of pear-shaped ZnO nanodots on a thin SiNx buffer layer pre-deposited onto a silicon substrate. It is shown that the growth of ZnO nanodots obey the cubic root-law behavior. It is also shown that the synthesized ZnO nanodots are highly-uniform, controllable by the experimental parameters, and also feature good structural and photoluminescent properties. These results suggest that this custom-designed ICP-based technique is very effective and highly-promising for the synthesis of property- and size-controllable highly-uniform ZnO nanodots suitable for next-generation light emitting diodes, energy storage, UV nanolasers, and other applications.