New non-reorientational optical nonlinear effect in MBBA

A new effect producing self-focusing of light in a nematic MBBA film is reported. This effect produces a static diffraction pattern composed of circular rings which is different from the ones arising from self-focusing previously reported. The influence of the cell thickness, the optical intensity, and the wavelength is studied. Once the nematic is distorted by a láser beam, the effect produced in other light beam passing through the modified región is independent of its polarization. This isotropic behavior shows that a molecular reorientation has not been produced. The origin of this effect seems to be the same of that of the effect which produces a randomly oscillating diffraction pattern previously reported by our group. Some possible causes such as thermal indexing, convective instabilities and self-induced transparency are discussed.

Hidrodinamica de planeadores submarinos y su impacto en la funcionalidad de sensores CTD

Los recientes desarrollos tecnológicos permiten la transición de la oceanografía observacional desde un concepto basado en buques a uno basado en sistemas autónomos en red. Este último, propone que la forma más eficiente y efectiva de observar el océano es con una red de plataformas autónomas distribuidas espacialmente y complementadas con sistemas de medición remota. Debido a su maniobrabilidad y autonomía, los planeadores submarinos están jugando un papel relevante en este concepto de observaciones en red. Los planeadores submarinos fueron específicamente diseñados para muestrear vastas zonas del océano. Estos son robots con forma de torpedo que hacen uso de su forma hidrodinámica, alas y cambios de flotabilidad para generar movimientos horizontales y verticales en la columna de agua. Un sensor que mide conductividad, temperatura y profundidad (CTD) constituye un equipamiento estándar en la plataforma. Esto se debe a que ciertas variables dinámicas del Océano se pueden derivar de la temperatura, profundidad y salinidad. Esta última se puede estimar a partir de las medidas de temperatura y conductividad. La integración de sensores CTD en planeadores submarinos no esta exenta de desafíos. Uno de ellos está relacionado con la precisión de los valores de salinidad derivados de las muestras de temperatura y conductividad. Específicamente, las estimaciones de salinidad están significativamente degradadas por el retardo térmico existente, entre la temperatura medida y la temperatura real dentro de la celda de conductividad del sensor. Esta deficiencia depende de las particularidades del flujo de entrada al sensor, su geometría y, también se ha postulado, del calor acumulado en las capas de aislamiento externo del sensor. Los efectos del retardo térmico se suelen mitigar mediante el control del flujo de entrada al sensor. Esto se obtiene generalmente mediante el bombeo de agua a través del sensor o manteniendo constante y conocida su velocidad. Aunque recientemente se han incorporado sistemas de bombeo en los CTDs a bordo de los planeadores submarinos, todavía existen plataformas equipadas con CTDs sin dichos sistemas. En estos casos, la estimación de la salinidad supone condiciones de flujo de entrada al sensor, razonablemente controladas e imperturbadas. Esta Tesis investiga el impacto, si existe, que la hidrodinámica de los planeadores submarinos pudiera tener en la eficiencia de los sensores CTD. Específicamente, se investiga primero la localización del sensor CTD (externo al fuselaje) relativa a la capa límite desarrollada a lo largo del cuerpo del planeador. Esto se lleva a cabo mediante la utilización de un modelo acoplado de fluido no viscoso con un modelo de capa límite implementado por el autor, así como mediante un programa comercial de dinámica de fluidos computacional (CFD). Los resultados indican, en ambos casos, que el sensor CTD se encuentra fuera de la capa límite, siendo las condiciones del flujo de entrada las mismas que las del flujo sin perturbar. Todavía, la velocidad del flujo de entrada al sensor CTD es la velocidad de la plataforma, la cual depende de su hidrodinámica. Por tal motivo, la investigación se ha extendido para averiguar el efecto que la velocidad de la plataforma tiene en la eficiencia del sensor CTD. Con este propósito, se ha desarrollado un modelo en elementos finitos del comportamiento hidrodinámico y térmico del flujo dentro del CTD. Los resultados numéricos indican que el retardo térmico, atribuidos originalmente a la acumulación de calor en la estructura del sensor, se debe fundamentalmente a la interacción del flujo que atraviesa la celda de conductividad con la geometría interna de la misma. Esta interacción es distinta a distintas velocidades del planeador submarino. Específicamente, a velocidades bajas del planeador (0.2 m/s), la mezcla del flujo entrante con las masas de agua remanentes en el interior de la celda, se ralentiza debido a la generación de remolinos. Se obtienen entonces desviaciones significantes entre la salinidad real y aquella estimada. En cambio, a velocidades más altas del planeador (0.4 m/s) los procesos de mezcla se incrementan debido a la turbulencia e inestabilidades. En consecuencia, la respuesta del sensor CTD es mas rápida y las estimaciones de la salinidad mas precisas que en el caso anterior. Para completar el trabajo, los resultados numéricos se han validado con pruebas experimentales. Específicamente, se ha construido un modelo a escala del sensor CTD para obtener la confirmación experimental de los modelos numéricos. Haciendo uso del principio de similaridad de la dinámica que gobierna los fluidos incompresibles, los experimentos se han realizado con flujos de aire. Esto simplifica significativamente la puesta experimental y facilita su realización en condiciones con medios limitados. Las pruebas experimentales han confirmado cualitativamente los resultados numéricos. Más aun, se sugiere en esta Tesis que la respuesta del sensor CTD mejoraría significativamente añadiendo un generador de turbulencia en localizaciones adecuadas al interno de la celda de conductividad. ABSTRACT Recent technological developments allow the transition of observational oceanography from a ship-based to a networking concept. The latter suggests that the most efficient and effective way to observe the Ocean is through a fleet of spatially distributed autonomous platforms complemented by remote sensing. Due to their maneuverability, autonomy and endurance at sea, underwater gliders are already playing a significant role in this networking observational approach. Underwater gliders were specifically designed to sample vast areas of the Ocean. These are robots with a torpedo shape that make use of their hydrodynamic shape, wings and buoyancy changes to induce horizontal and vertical motions through the water column. A sensor to measure the conductivity, temperature and depth (CTD) is a standard payload of this platform. This is because certain ocean dynamic variables can be derived from temperature, depth and salinity. The latter can be inferred from measurements of temperature and conductivity. Integrating CTD sensors in glider platforms is not exempted of challenges. One of them, concerns to the accuracy of the salinity values derived from the sampled conductivity and temperature. Specifically, salinity estimates are significantly degraded by the thermal lag response existing between the measured temperature and the real temperature inside the conductivity cell of the sensor. This deficiency depends on the particularities of the inflow to the sensor, its geometry and, it has also been hypothesized, on the heat accumulated by the sensor coating layers. The effects of thermal lag are usually mitigated by controlling the inflow conditions through the sensor. Controlling inflow conditions is usually achieved by pumping the water through the sensor or by keeping constant and known its diving speed. Although pumping systems have been recently implemented in CTD sensors on board gliders, there are still platforms with unpumped CTDs. In the latter case, salinity estimates rely on assuming reasonable controlled and unperturbed flow conditions at the CTD sensor. This Thesis investigates the impact, if any, that glider hydrodynamics may have on the performance of onboard CTDs. Specifically, the location of the CTD sensor (external to the hull) relative to the boundary layer developed along the glider fuselage, is first investigated. This is done, initially, by applying a coupled inviscid-boundary layer model developed by the author, and later by using a commercial software for computational fluid dynamics (CFD). Results indicate, in both cases, that the CTD sensor is out of the boundary layer, being its inflow conditions those of the free stream. Still, the inflow speed to the CTD sensor is the speed of the platform, which largely depends on its hydrodynamic setup. For this reason, the research has been further extended to investigate the effect of the platform speed on the performance of the CTD sensor. A finite element model of the hydrodynamic and thermal behavior of the flow inside the CTD sensor, is developed for this purpose. Numerical results suggest that the thermal lag effect is mostly due to the interaction of the flow through the conductivity cell and its geometry. This interaction is different at different speeds of the glider. Specifically, at low glider speeds (0.2 m/s), the mixing of recent and old waters inside the conductivity cell is slowed down by the generation of coherent eddy structures. Significant departures between real and estimated values of the salinity are found. Instead, mixing is enhanced by turbulence and instabilities for high glider speeds (0.4 m/s). As a result, the thermal response of the CTD sensor is faster and the salinity estimates more accurate than for the low speed case. For completeness, numerical results have been validated against model tests. Specifically, a scaled model of the CTD sensor was built to obtain experimental confirmation of the numerical results. Making use of the similarity principle of the dynamics governing incompressible fluids, experiments are carried out with air flows. This significantly simplifies the experimental setup and facilitates its realization in a limited resource condition. Model tests qualitatively confirm the numerical findings. Moreover, it is suggested in this Thesis that the response of the CTD sensor would be significantly improved by adding small turbulators at adequate locations inside the conductivity cell.

Fluid-solid interaction in arteries incorporating the autoregulation concept in boundary conditions

In pre-surgery decisions in hospital emergency cases, fast and reliable results of the solid and fluid mechanics problems are of great interest to clinicians. In the current investigation, an iterative process based on a pressure-type boundary condition is proposed in order to reduce the computational costs of blood flow simulations in arteries, without losing control of the important clinical parameters. The incorporation of cardiovascular autoregulation, together with the well-known impedance boundary condition, forms the basis of the proposed methodology. With autoregulation, the instabilities associated with conventional pressure-type or impedance boundary conditions are avoided without an excessive increase in computational costs. The general behaviour of pulsatile blood flow in arteries, which is important from the clinical point of view, is well reproduced through this new methodology. In addition, the interaction between the blood and the arterial walls occurs via a modified weak coupling, which makes the simulation more stable and computationally efficient. Based on in vitro experiments, the hyperelastic behaviour of the wall is characterised and modelled. The applications and benefits of the proposed pressure-type boundary condition are shown in a model of an idealised aortic arch with and without an ascending aorta dissection, which is a common cardiovascular disorder.

Mitochondrial DNA rearrangements of Podospora anserina are under the control of the nuclear gene grisea

Podospora anserina is a filamentous fungus with a limited life span. Life span is controlled by nuclear and extranuclear genetic traits. Herein we report the nature of four alterations in the nuclear gene grisea that lead to an altered morphology, a defect in the formation of female gametangia, and an increased life span. Three sequence changes are located in the 5′ upstream region of the grisea ORF. One mutation is a G → A transition at the 5′ splice site of the single intron of the gene, leading to a RNA splicing defect. This loss-of-function affects the amplification of the first intron of the mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I gene (COI) and the specific mitochondrial DNA rearrangements that occur during senescence of wild-type strains. Our results indicate that the nuclear gene grisea is part of a molecular machinery involved in the control of mitochondrial DNA reorganizations. These DNA instabilities accelerate but are not a prerequisite for the aging of P. anserina cultures.

Spectral bifurcations in dispersive wave turbulence

Dispersive wave turbulence is studied numerically for a class of one-dimensional nonlinear wave equations. Both deterministic and random (white noise in time) forcings are studied. Four distinct stable spectra are observed—the direct and inverse cascades of weak turbulence (WT) theory, thermal equilibrium, and a fourth spectrum (MMT; Majda, McLaughlin, Tabak). Each spectrum can describe long-time behavior, and each can be only metastable (with quite diverse lifetimes)—depending on details of nonlinearity, forcing, and dissipation. Cases of a long-live MMT transient state dcaying to a state with WT spectra, and vice-versa, are displayed. In the case of freely decaying turbulence, without forcing, both cascades of weak turbulence are observed. These WT states constitute the clearest and most striking numerical observations of WT spectra to date—over four decades of energy, and three decades of spatial, scales. Numerical experiments that study details of the composition, coexistence, and transition between spectra are then discussed, including: (i) for deterministic forcing, sharp distinctions between focusing and defocusing nonlinearities, including the role of long wavelength instabilities, localized coherent structures, and chaotic behavior; (ii) the role of energy growth in time to monitor the selection of MMT or WT spectra; (iii) a second manifestation of the MMT spectrum as it describes a self-similar evolution of the wave, without temporal averaging; (iv) coherent structures and the evolution of the direct and inverse cascades; and (v) nonlocality (in k-space) in the transferral process.

Potential effects of gas hydrate on human welfare

For almost 30 years. serious interest has been directed toward natural gas hydrate, a crystalline solid composed of water and methane, as a potential (i) energy resource, (ii) factor in global climate change, and (iii) submarine geohazard. Although each of these issues can affect human welfare, only (iii) is considered to be of immediate importance. Assessments of gas hydrate as an energy resource have often been overly optimistic, based in part on its very high methane content and on its worldwide occurrence in continental margins. Although these attributes are attractive, geologic settings, reservoir properties, and phase-equilibria considerations diminish the energy resource potential of natural gas hydrate. The possible role of gas hydrate in global climate change has been often overstated. Although methane is a “greenhouse” gas in the atmosphere, much methane from dissociated gas hydrate may never reach the atmosphere, but rather may be converted to carbon dioxide and sequestered by the hydrosphere/biosphere before reaching the atmosphere. Thus, methane from gas hydrate may have little opportunity to affect global climate change. However, submarine geohazards (such as sediment instabilities and slope failures on local and regional scales, leading to debris flows, slumps, slides, and possible tsunamis) caused by gas-hydrate dissociation are of immediate and increasing importance as humankind moves to exploit seabed resources in ever-deepening waters of coastal oceans. The vulnerability of gas hydrate to temperature and sea level changes enhances the instability of deep-water oceanic sediments, and thus human activities and installations in this setting can be affected.

On the possibility of coherently stimulated recombination and cosmological structure generation: recombination instability.

Possible instabilities during cosmological recombination may produce an epoch of nonlinear density growth and fractal-like structural patterns out to the horizon scale at that epoch (approximately 200 Mpc today). With this motivation, we examine the consequences of the change in effective radiative recombination reaction rate coefficients produced by intense stimulated emission. The proton-electron recombination is considered as a natural laser, leading to the formation of spatially nonuniform distributions of neutral matter earlier than the recombination epoch.

On the possibility of coherently stimulated recombination and cosmological structure generation: cosmological consequences.

Given a specific physical mechanism for instabilities during cosmological recombination discussed in an earlier paper, we examine the nonlinear growth of density structures to form fractal-like structural patterns out to the horizon scale at that epoch (approximately 200 Mpc today). A model for such fractal patterns is presented. Such effects could explain observed large-scale structure patterns and the formation of objects at high z, while keeping microwave background anisotropies at the observed minimal levels. We also discuss possible microwave background implications of such a transition and note a potentially observable spectral signature at lambda approximately 0.18 mm as well as a weak line near the peak in the microwave background.

Investigação do mecanismo cinético da reação de redução de oxigênio em solventes não aquosos

O aumento no consumo energético e a crescente preocupação ambiental frente à emissão de gases poluentes criam um apelo mundial favorável para pesquisas de novas tecnologias não poluentes de fontes de energia. Baterias recarregáveis de lítio-ar em solventes não aquosos possuem uma alta densidade de energia teórica (5200 Wh kg-1), o que as tornam promissoras para aplicação em dispositivos estacionários e em veículos elétricos. Entretanto, muitos problemas relacionados ao cátodo necessitam ser contornados para permitir a aplicação desta tecnologia, por exemplo, a baixa reversibilidade das reações, baixa potência e instabilidades dos materiais empregados nos eletrodos e dos solventes eletrolíticos. Assim, neste trabalho um modelo cinético foi empregado para os dados experimentais de espectroscopia de impedância eletroquímica, para a obtenção das constantes cinéticas das etapas elementares do mecanismo da reação de redução de oxigênio (RRO), o que permitiu investigar a influência de parâmetros como o tipo e tamanho de partícula do eletrocatalisador, o papel do solvente utilizado na RRO e compreender melhor as reações ocorridas no cátodo dessa bateria. A investigação inicial se deu com a utilização de sistemas menos complexos como uma folha de platina ou eletrodo de carbono vítreo como eletrodos de trabalho em 1,2-dimetoxietano (DME)/perclorato de lítio (LiClO4). A seguir, sistemas complexos com a presença de nanopartículas de carbono favoreceu o processo de adsorção das moléculas de oxigênio e aumentou ligeiramente (uma ordem de magnitude) a etapa de formação de superóxido de lítio (etapa determinante de reação) quando comparada com os eletrodos de platina e carbono vítreo, atribuída à presença dos grupos laterais mediando à transferência eletrônica para as moléculas de oxigênio. No entanto, foi observada uma rápida passivação da superfície eletrocatalítica através da formação de filmes finos de Li2O2 e Li2CO3 aumentando o sobrepotencial da bateria durante a carga (diferença de potencial entre a carga e descarga > 1 V). Adicionalmente, a incorporação das nanopartículas de platina (Ptnp), ao invés da folha de platina, resultou no aumento da constante cinética da etapa determinante da reação em duas ordens de magnitude, o qual pode ser atribuído a uma mudança das propriedades eletrônicas na banda d metálica em função do tamanho nanométrico das partículas, e estas modificações contribuíram para uma melhor eficiência energética quando comparado ao sistema sem a presença de eletrocatalisador. Entretanto, as Ptnp se mostraram não específicas para a RRO, catalisando as reações de degradação do solvente eletrolítico e diminuindo rapidamente a eficiência energética do dispositivo prático, devido ao acúmulo de material no eletrodo. O emprego de líquido iônico como solvente eletrolítico, ao invés de DME, promoveu uma maior estabilização do intermediário superóxido formado na primeira etapa de transferência eletrônica, devido à interação com os cátions do líquido iônico em solução, o qual resultou em um valor de constante cinética da formação do superóxido de três ordens de magnitude maior que o obtido com o mesmo eletrodo de carbono vítreo em DME, além de diminuir as reações de degradação do solvente. Estes fatores podem contribuir para uma maior potência e ciclabilidade da bateria de lítio-ar operando com líquidos iônicos.

Acurácia da seleção simultânea para caracteres de interesse em milho tropical de segunda safra

O milho de segunda safra, também conhecido como milho safrinha, é definido como aquele semeado entre os meses de janeiro e março. Esta modalidade de cultivo atingiu no ano agrícola de 2013/2014 uma área plantada de 9,18 milhões de hectares, superior a área cultivada com milho primeira safra, que no mesmo período foi de 6,61 milhões de hectares. Na segunda safra, há alto risco de instabilidades climáticas, principalmente em decorrência de baixas temperaturas, geadas, má distribuição de chuvas e redução do fotoperíodo. Todos estes fatores prejudicam a atividade fotossintética do milho, reduzindo sua produtividade. No entanto, dada a importância deste cultivo, empresas públicas, privadas e universidades vêm buscando incrementar a produtividade e a estabilidade. Para isso, alguns caracteres são especialmente preconizados. Devido ao alto risco de perda por adversidades ambientais, muitos produtores investem pouco em adubação, principalmente adubação nitrogenada. Neste contexto, o desenvolvimento de plantas mais eficientes no uso e, ou, tolerantes ao estresse por nitrogênio, resultaria em maior segurança para o produtor. Não obstante, a precocidade tem elevada importância, já que materiais precoces reduzem o risco de perdas neste período. No entanto, a mesma deve estar sempre associada a alta produtividade. Assim, para a seleção simultânea destes caracteres, pode-se lançar mão de índices per se de resposta das plantas ao estresse, análises gráficas e, ou, índices de seleção simultânea. Adicionalmente, os valores genotípicos das linhagens para essas características, além de serem preditos via REML/BLUP single-trait (análise univariada), também podem ser preditos via REML/BLUP multi-trait (análise multivariada). Dessa forma, os valores genotípicos são corrigidos pela covariância existente entre os caracteres. Assim, o objetivo deste trabalho foi verificar a possibilidade de seleção simultânea para eficiência no uso e tolerância ao estresse por nitrogênio, além de plantas precoces e produtivas. Para isto, linhagens de milho tropical foram cultivadas e avaliadas para estes caracteres. Foram então simulados diversos cenários de seleção simultânea. A partir destes resultados, observou-se que o índice per se de resposta das plantas ao estresse Média Harmônica da Performance Relativa (MHPR) foi o mais eficiente na seleção de plantas eficientes no uso e tolerantes ao estresse por nitrogênio. Isto ocorreu devido a forte correlação desfavorável entre os índices que estimam a eficiência e a tolerância, além da superioridade e em acurácia, herdabilidade e ganhos com a seleção deste índice per se. Já para a seleção simultânea da produtividade e precocidade, o índice Aditivo de seleção simultânea, utilizando os valores genotípicos preditos via REML/BLUP single-trait se mostrou o mais eficiente, já que obteve ganhos satisfatórios em todos os caracteres e há a possibilidade de modular, de forma mais satisfatória, os ganhos em cada caractere. Conclui-se que a seleção simultânea tanto para eficiência no uso e tolerância ao estresse por nitrogênio, quanto para produtividade e precocidade são possíveis. Além disso, a escolha do melhor método de seleção simultânea depende da magnitude e do sentido da correlação entre os caracteres.

Estudo de efeitos da polarização eletrostática periférica no Tokamak TCABR

Efeitos da polarização eletrostática de eletrodos na periferia de tokamaks têm sido investigados em pequenos tokamaks e mesmo em alguns tokamaks de grande porte. Em geral as experiências são realizadas em condições em que bifurcação do campo elétrico radial é obtida, processo este identificado como modo H de polarização. No Tokamak TCABR, as experiências indicam que o confinamento aumenta para tensões aplicadas até +300 volts, atingindo um máximo de duas vezes o tempo de confinamento do modo L, mas sem bifurcação. Indícios de bifurcação foram notados com +400 V de polarização, mas a descarga termina devido à excitação da atividade MHD, ainda sob investigação. No presente trabalho, a pesquisa é aprofundada com a utilização de uma sonda de Langmuir com 18 pinos dispostos em duas fileiras sob a forma de um ancinho (rake probe) o que permite a medição da temperatura, densidade e flutuação de potencial ao longo do raio menor na periferia do Tokamak. A resolução temporal desse sistema é de cerca de 0,5 ms, para a temperatura, e 5 microssegundos para densidade e potencial flutuante do plasma. Outra sonda eletrostática com 5-pinos na mesma posição radial, mas em diferentes posições poloidal e toroidal foi usada para medições de turbulência e transporte de partículas. Os efeitos da polarização foram investigados e indicam que os níveis de turbulência e transporte começam a diminuir entre +150 e +200 V e para +300 V chegam a atingir uma quase supressão. Nesse mesmo intervalo de tensão a densidade começa a aumentar e para +300 V chega a ser um fator de aproximadamente 2. Quanto ao perfil de temperatura a variação é pouco significativa, mas as incertezas das medidas são maiores. Esses dados são compatíveis com a criação de uma barreira de transporte na região entre o eletrodo em r = 17 cm e o limitador em a = 18 cm. Além disso, o campo elétrico radial mostra forte cisalhamento nessa região. Tomando o início da subida do potencial flutuante como origem de uma escala de tempo, o atraso temporal do início da subida da densidade de elétrons e o atraso do início do decréscimo do transporte de partículas foram medidos. Os resultados são 50 microssegundos para a densidade de elétrons e 60 microssegundos para o transporte de partículas. A questão dos limiares de potência é discutida no texto. Os dados desta experiência indicam que o campo elétrico radial desempenha o papel principal para a melhoria do confinamento.

Aplicação de mapas auto-organizáveis na classificação de padrões de escoamento bifásico

O escoamento bifásico de gás-líquido é encontrado em muitos circuitos fechados que utilizam circulação natural para fins de resfriamento. O fenômeno da circulação natural é importante nos recentes projetos de centrais nucleares para a remoção de calor. O circuito de circulação natural (Circuito de Circulação Natural - CCN), instalado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, IPEN / CNEN, é um circuito experimento concebido para fornecer dados termo-hidráulicos relacionados com escoamento monofásico ou bifásico em condições de circulação natural. A estimativa de transferência de calor tem sido melhorada com base em modelos que requerem uma previsão precisa de transições de padrão de escoamento. Este trabalho apresenta testes experimentais desenvolvidos no CCN para a visualização dos fenômenos de instabilidade em ciclos de circulação natural básica e classificar os padrões de escoamento bifásico associados aos transientes e instabilidades estáticas de escoamento. As imagens são comparadas e agrupadas utilizando mapas auto-organizáveis de Kohonen (SOM), aplicados em diferentes características da imagem digital. Coeficientes da Transformada Discreta de Cossenos de Quadro Completo (FFDCT) foram utilizados como entrada para a tarefa de classificação, levando a bons resultados. Os protótipos de FFDCT obtidos podem ser associados a cada padrão de escoamento possibilitando uma melhor compreensão da instabilidade observada. Uma metodologia sistemática foi utilizada para verificar a robustez do método.

CANDELS: The progenitors of compact quiescent galaxies at z ~ 2

We combine high-resolution Hubble Space Telescope/WFC3 images with multi-wavelength photometry to track the evolution of structure and activity of massive (M_*> 10^10 M_☉) galaxies at redshifts z = 1.4-3 in two fields of the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey. We detect compact, star-forming galaxies (cSFGs) whose number densities, masses, sizes, and star formation rates (SFRs) qualify them as likely progenitors of compact, quiescent, massive galaxies (cQGs) at z = 1.5-3. At z≲2, cSFGs present SFR = 100-200 M_☉ yr^–1, yet their specific star formation rates (sSFR ~ 10^–9 yr^–1) are typically half that of other massive SFGs at the same epoch, and host X-ray luminous active galactic nuclei (AGNs) 30 times (~30%) more frequently. These properties suggest that cSFGs are formed by gas-rich processes (mergers or disk-instabilities) that induce a compact starburst and feed an AGN, which, in turn, quench the star formation on dynamical timescales (few 10^8 yr). The cSFGs are continuously being formed at z = 2-3 and fade to cQGs down to z ~ 1.5. After this epoch, cSFGs are rare, thereby truncating the formation of new cQGs. Meanwhile, down to z = 1, existing cQGs continue to enlarge to match local QGs in size, while less-gas-rich mergers and other secular mechanisms shepherd (larger) SFGs as later arrivals to the red sequence. In summary, we propose two evolutionary tracks of QG formation: an early (z≲2), formation path of rapidly quenched cSFGs fading into cQGs that later enlarge within the quiescent phase, and a late-arrival (z≳2) path in which larger SFGs form extended QGs without passing through a compact state.

Force-free twisted magnetospheres of neutron stars

Context. The X-ray spectra observed in the persistent emission of magnetars are evidence for the existence of a magnetosphere. The high-energy part of the spectra is explained by resonant cyclotron upscattering of soft thermal photons in a twisted magnetosphere, which has motivated an increasing number of efforts to improve and generalize existing magnetosphere models. Aims. We want to build more general configurations of twisted, force-free magnetospheres as a first step to understanding the role played by the magnetic field geometry in the observed spectra. Methods. First we reviewed and extended previous analytical works to assess the viability and limitations of semi-analytical approaches. Second, we built a numerical code able to relax an initial configuration of a nonrotating magnetosphere to a force-free geometry, provided any arbitrary form of the magnetic field at the star surface. The numerical code is based on a finite-difference time-domain, divergence-free, and conservative scheme, based of the magneto-frictional method used in other scenarios. Results. We obtain new numerical configurations of twisted magnetospheres, with distributions of twist and currents that differ from previous analytical solutions. The range of global twist of the new family of solutions is similar to the existing semi-analytical models (up to some radians), but the achieved geometry may be quite different. Conclusions. The geometry of twisted, force-free magnetospheres shows a wider variety of possibilities than previously considered. This has implications for the observed spectra and opens the possibility of implementing alternative models in simulations of radiative transfer aiming at providing spectra to be compared with observations.

A new code for the Hall-driven magnetic evolution of neutron stars

Over the past decade, the numerical modeling of the magnetic field evolution in astrophysical scenarios has become an increasingly important field. In the crystallized crust of neutron stars the evolution of the magnetic field is governed by the Hall induction equation. In this equation the relative contribution of the two terms (Hall term and Ohmic dissipation) varies depending on the local conditions of temperature and magnetic field strength. This results in the transition from the purely parabolic character of the equations to the hyperbolic regime as the magnetic Reynolds number increases, which presents severe numerical problems. Up to now, most attempts to study this problem were based on spectral methods, but they failed in representing the transition to large magnetic Reynolds numbers. We present a new code based on upwind finite differences techniques that can handle situations with arbitrary low magnetic diffusivity and it is suitable for studying the formation of sharp current sheets during the evolution. The code is thoroughly tested in different limits and used to illustrate the evolution of the crustal magnetic field in a neutron star in some representative cases. Our code, coupled to cooling codes, can be used to perform long-term simulations of the magneto-thermal evolution of neutron stars.