Dark Matter and Variable Sources in M31

Diese Dissertation beschreibt die Ergebnisse des Wendelstein Calar Alto Pixellensing Project (WeCAPP), welches in Richtung der Andromeda Galaxie (M31) nach Dunkler Materie in Form von "Massiven Kompakten Halo Objekten" (Machos) sucht. Die neuesten wissenschaftlichen Befunde legen ein Universum mit flacher Geometrie nahe, zu dessen Dichteinhalt Dunkle Materie ca. 23% beitraegt. Weitere 4.5% werden baryonischer Materie zugeschrieben, wobei von diesem Anteil bei kleiner Rotverschiebung bisher nur ca. 10% nachgewiesen werden konnten. Die Kandidaten fuer Machos in den Halos von Galaxien umfassen eine baryonische Komponente (vergangene Sterne wie z.B. Weisse Zwerge oder Neutronensterne), sowie eine nicht-baryonische Komponente, zum Beispiel in Form von primordialen Schwarzen Loechern. Da diese Objekte nur sehr schwach leuchten, sind sie dem direkten Nachweis entzogen. Sie koennen jedoch indirekt ueber den Gravitationslinseneffekt nachgewiesen werden, den sie auf das Licht von Sternen im Hintergrund ausueben. Der beobachtbare Helligkeitsanstieg ist charakteristisch fuer solche sogenannten Mikrolinsenereignisse und laesst sich gut von der Helligkeitsaenderung Veraenderlicher Sterne unterscheiden. Die Seltenheit der Gravitationslinsenereignisse machte den Aufbau eines grossen Datensatzes mit entsprechender zeitlicher Ueberdeckung notwendig, was durch simultane Beobachtungen an zwei Standorten (Wendelstein und Calar Alto) erreicht werden konnte. Nach einer kurzen Einfuehrung gibt Kapitel 2 einen Ueberblick ueber das Experiment und die Beobachtungsstrategie und stellt die Teleskope und verwendeten Instrumente vor. Desweiteren behandelt Kapitel 2 die Eigenschaften des Datensatzes (1997 - 2005) und stellt die Algorithmen und Methoden vor, die zum Reduzieren der Daten angewandt wurden. Kapitel 3 praesentiert ein aktualisiertes Modell der Massen- und Lichtverteilung der Andromeda Galaxie, welches gut mit kinematischen Daten, als auch mit Vorhersagen von stellaren Populationsmodellen uebereinstimmt. In Kapitel 4 wird dieses Modell genutzt, um die erwartete Rate von Gravitationslinsenereignissen und deren raeumliche Verteilung fuer das WeCAPP Experiment zu berechnen. Kapitel 5 praesentiert die Kandidaten fuer Mikrolinsenereignisse, die im WeCAPP Datensatz identifiziert werden konnten. Sowohl die Anzahl der Ereignisse als auch ihre raeumliche Verteilung deuten darauf hin, dass sie durch stellare Linsen in M31 selbst verursacht wurden (self-lensing). Der Machoanteil ist demgegenueber als eher gering einzuschaetzen. Der aufgebaute Datensatz ist aufgrund seiner langen zeitlichen Ueberdeckung hervorragend geeignet, intrinsisch Veraenderliche Quellen in M31 zu studieren. In Kapitel 6 wird dieser Katalog von ueber 20 000 Veraenderlichen Quellen praesentiert. Die gemessene Anzahldichte der Quellen weist eine starke Asymmetrie auf, die auf den Einfluss erhoehter Extinktion in den Spiralarmen zurueckzufuehren ist. Die Veraenderlichen lassen sich in 3 Gruppen einteilen, wobei sich in Gruppe 1 die klassischen Cepheiden befinden. Gruppe 2 enthaelt unter anderem Klasse 2 Cepheiden und RV Tauri Veraenderliche, wohingegen sich Gruppe 3 aus Langperiodischen Veraenderlichen zusammensetzt. Die Parameter, die aus der Fourieranalyse der Lichtkurven klassischer Cepheiden extrahiert werden konnten, zeigen den bekannten Verlauf mit der Periode der stellaren Pulsation. Auch fuer die Klasse 2 Cepheiden und die RV Tauri Sterne konnte eine Korrelation bestimmter Phasenparameter gefunden werden, wobei die Relation der RV Tauri Sterne eine Fortfuehrung der Relation der Klasse 2 Cepheiden ist. Dieses Ergebnis unterstuetzt die enge Verbindung zwischen beiden Arten von Veraenderlichen. Neben pulsierenden Veraenderlichen wurden auch ueber 60 klassische Novae identifiziert, deren Helligkeitsverlauf einen eruptiven Charakter aufweist. Der daraus resultierende Novakatalog, der in Kapitel 7 praesentiert wird, ist einer der groessten und homogensten seiner Art. Eine Korrelation mit historischen Novae erbrachte 5 Kandidaten fuer wiederkehrende Novae. Fuer einige Novae gelang es, den Zeitpunkt des Ausbruchs genau zu bestimmen und damit zu zeigen, dass die Konstanz der Helligkeit 15 Tage nach Maximum fuer schnelle und moderat schnelle Novae zu gelten scheint. Sehr schnelle Novae scheinen jedoch davon abzuweichen. Mit Hilfe dieser Relation und den exponentiellen Angleichungen an die Lichtkurven konnte gezeigt werden, dass fuer mittlere Abfallszeitskalen t2 die maximale Helligkeit linear mit dem Logarithmus der Abfallszeit skaliert, fuer grosse t2 jedoch eine Abflachung dieser linearen Relation festzustellen ist

Einfluss des Anbaulandes und ökologische Auswirkungen des Kaffeeanbaus auf die Biodiversität

The cultivation of Coffee is an agricultural resource worldwide, particularly in tropical countries, providing a livelihood for 20-25 million small-scale farmers and experiencing a steady increase in demand on the global market. Remarkable increases in productivity have been observed in major producing countries such as Brazil, China, and Vietnam since 1961. This study examined the impact of cultivation regions on the loss of biodiversity per kilogram of Coffee beans and the ecological consequences of Coffee production in different regions. The study quantified the influence of Coffee cultivation on biodiversity using the countryside Species-Area-Relationship (SAR) model. The world was divided into various eco-regions, and vulnerability was assessed based on area, species diversity, and threat level. The ten largest Coffee-producing countries were investigated, with Mexico and Colombia exhibiting a higher potential species loss per kilogram of Coffee compared to other countries. Specifically, Mexico required a large area of 34.64 square meters per kilogram of Coffee, indicating inefficient Coffee cultivation. Colombia showed a significant impact on biodiversity due to cultivation in biologically valuable regions with high biodiversity. Furthermore, the impacts of different biomes on potential species loss were analysed. Three biomes were identified with a higher proportion of lost species per kilogram of Coffee: tropical and subtropical moist forests, tropical and subtropical dry forests, and tropical and subtropical coniferous forests. Three of Brazil's largest cultivation areas are located in biomes with lower potential species loss per kilogram of Coffee, indicating that it is possible to identify areas that yield high productivity while minimizing species loss. To reduce biodiversity loss in existing Coffee plantations, it is recommended to implement agroforestry systems with native plant species. These systems not only provide habitats for various taxa but also contribute to sustainable cultivation practices that can reduce the use of pesticides and herbicides. A carefully designed mixture of shade trees plays a crucial role in sustainable cultivation with high yields. In order to examine the country-specific effects on potential biodiversity loss, Switzerland and an anonymous coffee producer were balanced. It was found that compared to the world coffee mix, Switzerland had a 57% higher loss and the anonymous producer a 139% higher loss. This result is due to the fact that Switzerland and the anonymous coffee producer source their beans from countries like Colombia or Peru, which have a high potential biodiversity loss due to coffee cultivation. On the other hand, the purchase of coffee from India, Brazil, Vietnam or Ethiopia would - according to a conclusion of this study - reduce the potential biodiversity loss.Der Anbau von Kaffee ermöglicht weltweit und vor allem in tropischen Ländern 20-25 Millionen Kleinbauern den Lebensunterhalt, wobei die Nachfrage auf dem Weltmarkt stetig steigt. Entsprechend verzeichnen laut Food and Agriculture Organisation (FAO), Hauptproduktionsländer wie Brasilien und Vietnam seit 1961 Produktivitätssteigerungen. Diese Studie untersuchte den Einfluss des Anbaulands auf den Biodiversitätsverlust pro Kilogramm Kaffeebohnen und die ökologischen Auswirkungen des Kaffeeanbaus auf die Biodiversität in verschiedenen Regionen. Der Einfluss des Kaffeeanbaus auf die Biodiversität wurde mithilfe des Land-Arten-Flächenverhältnis (SAR) Modells quantifiziert. Für eine differenzierte Analyse der Vulnerabilität wurde unter Berücksichtigung der Parameter «Fläche», «Artenvielfalt» und «Bedrohungsstufe» zwischen verschiedenen Ökoregionen unterschieden. Untersucht wurden die zehn grössten Kaffeeproduktionsländer, wobei Mexiko und Kolumbien einen höheren potenziellen Artenverlust pro Kilogramm Kaffee aufwiesen als andere Länder. Insbesondere Mexiko benötigte eine Fläche von 34.64 m2 pro Kilogramm Kaffee, dieser Wert liegt 20.43 m2 über dem durchschnittlichen Landverbrauch, dies deutet auf einen ineffizienten Kaffeeanbau hin. In Kolumbien wurde in Regionen, die eine grosse Biodiversität aufweisen, eine starke Veränderung der Biodiversität als Folge des Kaffeeanbaus festgestellt. Des Weiteren wurden die Auswirkungen verschiedener Biome auf den potenziellen Artenverlust analysiert. Dabei wurden drei Biome identifiziert, die einen höherer Anteil an verschwundenen Arten pro Kilogramm Kaffee aufwiesen: die tropischen und subtropischen feuchten Laubwälder, die tropischen und subtropischen trockenen Laubwälder sowie die tropischen und subtropischen Nadelwälder. Drei der grössten Anbaugebiete Brasiliens befinden sich jedoch in Biomen mit einem geringeren potenziellen Artenverlust pro Kilogramm Kaffee. Dies zeigt, dass es möglich ist, Anbaugebiete zu identifizieren, die hohe Erträge liefern und dennoch den Artenverlust minimal halten können. Um den Biodiversitätsverlust von bestehenden Kaffeeplantagen zu verringern – so ein Fazit dieser Studie – können Agroforstsysteme mit einheimischen Arten eingesetzt werden. Diese Systeme bieten nicht nur Lebensräume für verschiedene Taxa, sondern tragen auch zu nachhaltigen Anbaupraktiken bei, die den Einsatz von Pestiziden und Herbiziden reduzieren können. Eine genau abgestimmte Mischung von Schattenbäumen spielt dabei eine entscheidende Rolle für einen nachhaltigen Anbau mit hohen Erträgen. Um die länderspezifischen Auswirkungen auf den potenziellen Biodiversitätsverlust zu prüfen, wurde die Schweiz und ein anonymer Kaffeehersteller bilanziert. Es zeigte sich, dass im Vergleich zu dem Weltkaffee-Mix, die Schweiz einen 57% und der anonyme Hersteller einen 139% höheren Verlust vorweisen. Dieses Ergebnis geht darauf zurück, dass die Schweiz sowie der anonyme Kaffeehersteller ihre Bohnen aus Ländern wie Kolumbien oder Peru beziehen, die einen hohen potenziellen Biodiversitätsverlust aufgrund des Kaffeeanbaus vorweisen. Hingegen würde der Bezug von Kaffee aus Indien, Brasilien, Vietnam oder Äthiopien – so zweites Fazit dieser Studie – den potenziellen Biodiversitätsverlust reduzieren

Supersoft sources in M 31: Comparing the XMM-Newton Deep Survey, ROSAT and Chandra catalogues

To investigate the transient nature of supersoft sources (SSSs) in M 31, we compared SSS candidates of the XMM-Newton Deep Survey, ROSAT PSPC surveys and the Chandra catalogues in the same field. We found 40 SSSs in the XMM-Newton observations. While 12 of the XMM-Newton sources were brighter than the limiting flux of the ROSAT PSPC survey, only two were detected with ROSAT ~10 yr earlier. Five correlate with recent optical novae which explains why they were not detected by ROSAT. The remaining 28 XMM-Newton SSSs have fluxes below the ROSAT detection threshold. Nevertheless we found one correlation with a ROSAT source, which had significantly larger fluxes than during the XMM-Newton observations. Ten of the XMM-Newton SSSs were detected by Chandra with <1-~6 yr between the observations. Five were also classified as SSSs by Chandra. Of the 30 ROSAT SSSs three were confirmed with XMM-Newton, while for 11 sources other classifications are suggested. Of the remaining 16 sources one correlates with an optical nova. Of the 42 Chandra very-soft sources five are classified as XMM-Newton SSSs, while for 22 we suggest other classifications. Of the remaining 15 sources, nine are classified as transient by Chandra, one of them correlates with an optical nova. These findings underlined the high variability of the sources of this class and the connection between SSSs and optical novae. Only three sources, were detected by all three missions as SSSs. Thus they are visible for more than a decade, despite their variability.Comment: 6 pages, 1 figure, Proc. of workshop "SuperSoft X-ray Sources - New Developments", ESTEC/Villafranca, May 2009, accepted for publication in Aston.Nach

Eclipsing Binaries: Tools for Calibrating the Extragalactic Distance Scale

In the last decade, over 7000 eclipsing binaries have been discovered in the Local Group through various variability surveys. Measuring fundamental parameters of these eclipsing binaries has become feasible with 8 meter class telescopes, making it possible to use eclipsing binaries as distance indicators. Distances with eclipsing binaries provide an independent method for calibrating the extragalactic distance scale and thus determining the Hubble constant. This method has been used for determining distances to eclipsing binaries in the Magellanic Clouds and the Andromeda Galaxy and most recently to a detached eclipsing binary in the Triangulum Galaxy by the DIRECT Project. The increasing number of eclipsing binaries found by microlensing and variability surveys also provide a rich database for advancing our understanding of star formation and evolution.Comment: Review in proceedings of IAU Symposium 240, Editors W. Hartkopf, E. Guinan & P. Harmanec; 10 page

Microlensing toward crowded fields: Theory and applications to M31

We present a comprehensive treatment of the pixel-lensing theory and apply it to lensing experiments and their results toward M31. Using distribution functions for the distances, velocities, masses, and luminosities of stars, we derive lensing event rates as a function of the event observables. In contrast to the microlensing regime, in the pixel-lensing regime (crowded or unresolved sources) the observables are the maximum excess flux of the source above a background and the full width at half-maximum (FWHM) time of the event. To calculate lensing event distribution functions depending on these observables for the specific case of M31, we use data from the literature to construct a model of M31, reproducing consistently photometry, kinematics and stellar population. We predict the halo- and self-lensing event rates for bulge and disk stars in M31 and treat events with and without finite source signatures separately. We use the M31 photon noise profile and obtain the event rates as a function of position, field of view, and S/N threshold at maximum magnification. We calculate the expected rates for WeCAPP and for a potential Advanced Camera for Surveys (ACS) lensing campaign. The detection of two events with a peak signal-to-noise ratio larger than 10 and a timescale larger than 1 day in the WeCAPP 2000/2001 data is in good agreement with our theoretical calculations. We investigate the luminosity function of lensed stars for noise characteristics of WeCAPP and ACS. For the pixel-lensing regime, we derive the probability distribution for the lens masses in M31 as a function of the FWHM timescale, flux excess and color, including the errors of these observables.Comment: 45 pages, 27 figures LaTeX; corrected typos; published in the Astrophysical Journal Supplemen