Modelowanie procesów radiacyjnych wysokich energii w układach podwójnych gwiazd i ich otoczeniu

Wyniki obserwacji układów podwójnych gwiazd niektórych typów, przeprowadzone w zakresie promieniowania gamma, wskazują na istotną rolę procesów wysokich energii wewnątrz tych układów lub w ich otoczeniu. Zaobserwowano emisję wysokich energii z układów zawierających gwiazdy na ciągu głównym oraz zwarte obiekty typu czarne dziury czy gwiazdy neutronowe. Pomimo, że emisja tego typu była podejrzewana od dłuższego czasu, szczegółowe wyniki obserwacji uzyskane w ostatniej dekadzie były zaskakujące. Okazało się, że mechanizmy przyspieszania cząstek w warunkach panujących w układach gwiazdowych oraz produkcji promieniowania, nie są jeszcze dobrze poznane. W mojej rozprawie doktorskiej opracowuję kilka modeli emisji promieniowania w zakresie energii GeV-TeV będących w stanie wyjaśnić własności tej emisji lub przewidujące wysokoenergetyczną emisję z podobnego typu układów. W pierwszym modelu wskazuję na możliwość przyspieszania cząstek, i emisji promieniowania, w trakcie procesu akrecji materii na Białe Karły w układach podwójnych gwiazd typu kataklizmicznego (IPWDs). Warunki panujące w wewnętrznych częściach dysku akrecyjnego wokół Białego Karła (silnie namagnetyzowanym, turbulentnym obszarze w wewnętrznym dysku akrecyjnym) powinny sprzyjać przyspieszaniu cząstek do wysokich energii. Rozważam proces przyspieszania elektronów i hadronów w takim obszarze i określam ich emisję w zakresie wysokich energii. Pokazuję, że promieniowanie gamma z zakresu GeV-TeV może być w tych warunkach produkowane. Jako przykład przewiduję emisję promieniowania rentgenowskiego i gamma z układu IPWD o nazwie V1223 Sgr. Zależnie od wykładnika widmowego wstrzykiwanych cząstek, wysokoenergetyczna emisja może być zaobserwowana przez teleskop satelitarny Fermi-LAT w zakresie GeV i/lub przez planowane obserwatorium Cherenkov Telescope Array (CTA) w zakresie TeV. Przykładem układu podwójnego dwóch super-masywnych gwiazd ze zderzającymi się szybkimi wiatrami jest Eta Carinae. Został on ostatnio zidentyfikowany ze źródłem promieniowania gamma obserwowanym przez satelity AGILE i Fermi-LAT. W widmie tego źródła występują dwa składniki, z których wysoko-energetyczny wykazuje zmienność wraz z orbitalną fazą układu. Dla tego układu gwiazd rozważam różne możliwości przyspieszania cząstek (elektronów i hadronów) i produkcji wysokoenergetycznego promieniowania w skomplikowanej strukturze zderzających się wiatrów gwiazdowych. Celem jest wyjaśnienie cech widmowych Eta Carinae w zakresie promieniowania gamma oraz przewidzenie zachowania źródła w zakresie energii TeV gamma. Pokazuję, że obserwowane cechy widmowe mogą zostać wyjaśnione przy założeniu modelu zderzenia wiatrów gwiazd towarzyszących, w którym przyspieszanie cząstek zachodzi na podwójnej fali uderzeniowej (w wiatrach obu gwiazd) o różnych własnościach fizycznych. Przewiduję cechy emisji promieniowania gamma o energiach powyżej ∼100 GeV wskazując na wyraźną zmienność (lub jej brak) w zależności od scenariusza przyspieszania i oddziaływania cząstek w układzie podwójnym. Dla modelów hadronowych przewiduję także oczekiwany strumień neutrin pochodzących z układu podwójnego Eta Carinae, który ewentualnie mógłby zostać zaobserwowany przez dużej skali detektory neutrinowe typu IceCube. Stwierdzenie istnienia takiej emisji neutrinowej (lub jej brak) pozwala zlokalizować mechanizm przyspieszania cząstek w tego typu źródłach. Analizuję także przypadek masywnego układu podwójnego gwiazd wewnątrz gęstego obłoku materii międzygwiazdowej, tj. gromady otwartej. W ostatnich latach TeV-owa emisja promieniowania gamma była właśnie zaobserwowana z kierunku kilku otwartych gromad gwiazdowych zawierających masywne gwiazdy. Rozważam procesy wysokich energii zachodzące w wyniku oddziaływania gwiazd masywnego układu z ich gęstą otoczką. Analizuję mechanizmy przyspieszania jąder, z wiatrów masywnych gwiazd, w obszarze ich kolizji. Określam tempo foto-rozszczepiania jąder oraz tempo wstrzykiwania protonów i neutronów z ich fragmentacji w wyniku kolizji z promieniowaniem termicznym gwiazd. Uwolnione protony i neutrony propagują się w otoczeniu układu gwiazdowego, oddziałują z materią wiatru oraz materią gromady otwartej. Liczę widma produkowanych fotonów gamma i neutrin (w wyniku rozpadu pionów). Wyniki obliczeń są skonfrontowane z dostępnymi obserwacjami dla układu gwiazdowego Eta Carinae, wewnątrz kompleksu obłoków Carina, i układu WR 20a, wewnątrz gromady otwartej Westerlund 2. Wyliczam także strumienie neutrin produkowanych przez protony wokół układów podwójnych i wewnątrz gromad otwartych które umożliwią konstrukcję skomplikowanych procesów rozważanych w tym modelu

Denitrification of anthropogenic nitrogen in groundwater : measurement and modeling using stable isotopic and mass balance approaches

Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Civil and Environmental Engineering, 2001.Includes bibliographical references.Denitrification is a microaerophilic, microbially-mediated process, by which nitrate is reduced to biologically-unavailable N2 gas; the reaction is generally coupled to the oxidation of organic carbon. We hypothesized that denitrification rates in groundwater in the Waquoit Bay watershed on Cape Cod, USA, were controlled by both nitrate and dissolved organic carbon (DOC) concentrations, and that groundwater DOC concentrations were inversely related to the thickness of the vadose (unsaturated) zone through which recharge occurred. We found that the deeper the vadose zone, the lower the concentration of DOC in groundwater near the water table; similarly, DOC concentrations decreased with increasing depth below the water table, suggesting quite active biogeochemical processing in these boundary environments. We used stable isotope and mass balance approaches to estimate denitrification rates in groundwater at two forested field sites and in a septic system plume. These sites provided a large range of groundwater nitrate and dissolved organic carbon (DOC) concentrations. At all sites, denitrification rates increased with increasing nitrate concentration. First order denitrification rate constants with respect to nitrate were highest where groundwater DOC concentrations were highest: k = 2.8 y-1 in the septic plume (~ 26 mf C 1-1), k = 1.6 y-1 at South Cape Beach (DOC = 0.8 to 23.4 mg C-1), and k = 0.25 y-1 at Crane Wildlife (0.1 to 1.9 mg C 1-), suggesting that, independent of nitrate, DOC concentrations exert significant control on denitrification rates. A simulation of N losses along groundwater flowpaths suggests that a saturating kinetics expression with respect to both nitrate and DOC best predicts nitrate concentrations measured at downgradient well ports (R2 = 0.96 for [NO3]model vs. [NC 3 imeas). In contrast, a saturating kinetics expression with respect to nitrate only, often overpredicts nitrate losses along groundwater flowpaths, particularly where DOC concentration are low, further confirming that DOC concentrations are an important control on groundwater denitrification rates. The magnitude of a nitrate source, its travel distance to shore, and the DOC concentration in groundwater are useful predictors of N downgradient. These relationships can help in designing strategies to control anthropogenic nitrogen loading.by Wendy Jeanne Pabich.Ph.D

X-rays and Gamma-rays from Cataclysmic Variables: The example case of Intermediate Polar V1223 Sgr

The accretion of matter onto intermediate polar White Dwarfs (IPWDs) seems to provide attractive conditions for acceleration of particles to high energies in a strongly magnetized turbulent region at the accretion disk inner radius. We consider possible acceleration of electrons and hadrons in such region and investigate their high energy radiation processes. It is concluded that accelerated electrons loose energy mainly on synchrotron process producing non-thermal X-ray emission. On the other hand, accelerated hadrons are convected onto the WD surface and interact with dense matter. As a result, high energy $\gamma$-rays from decay of neutral pions and secondary leptons from decay of charged pions appear. We show that GeV-TeV $\gamma$-rays can escape from the vicinity of the WD. Secondary leptons produce synchrotron radiation in the hard X-rays and soft $\gamma$-rays. As an example, we predict the X-ray and $\gamma$-ray emission from IPWD V1223 Sgr. Depending on the spectral index of injected particles, this high energy emission may be detected by the ${\it Fermi}$-LAT telescope and/or the future Cherenkov Telescope Array (CTA) observatory.Comment: 16 pages, 1 figure, accepted to MNRA

Optical depths for gamma-rays in the radiation field of a star heated by external X-ray source in LMXBs: Application to Her X-1 and Sco X-1

The surface of a low mass star inside a compact low mass X-ray binary system (LMXB) can be heated by the external X-ray source which may appear due to the accretion process onto a companion compact object (a neutron star or a black hole). As a result, the surface temperature of the star can become significantly higher than it is in the normal state resulting from thermonuclear burning. We wonder whether high energy electrons and gamma-rays, injected within the binary system, can efficiently interact with this enhanced radiation field. To decide this, we calculate the optical depths for the gamma-ray photons in the radiation field of such irradiated star as a function of the phase of the binary system. Based on these calculations, we conclude that compact low mass X-ray binary systems may also become sources of high energy gamma-rays since conditions for interaction of electrons and gamma-rays are quite similar to these ones observed within the high mass TeV gamma-ray binaries such as LS 5039 and LSI 303 +61. However, due to differences in the soft radiation field, the expected gamma-ray light curves can significantly differ between low mass and high mass X-ray binaries. As an example, we apply such calculations to two well known LMXBs: Her X-1 and Sco X-1. It is concluded that electrons accelerated to high energies inside these binaries should find enough soft photon target from the companion star for efficient gamma-ray production.Comment: 10 pages, 8 figures, accepted to A&

Groundwater Laws and Regulations: Survey of Sixteen U.S. States

This report is the second volume in a continuing project designed to explore and articulate the groundwater laws and regulations of all fifty U.S. states. This particular report presents surveys for sixteen states throughout the country. The first volume featured thirteen state surveys and can be found at: http://www.law.tamu.edu/usgroundwaterlaws. The purpose of the project is to compile and present the groundwater laws and regulations of every state in the United States that could then be used in a series of comparisons of groundwater governance principles, strategies, issues, and challenges. Professor Gabriel Eckstein at Texas A&M University School of Law and Professor Amy Hardberger at Texas Tech University School of Law developed a matrix to ascertain chief components and characteristics of the groundwater legal regime of each state. Student researchers then used the matrix to respond to a standardized set of questions about the groundwater laws and regulations of a selection of states. In the near future, additional volumes with surveys of the remaining twenty-one U.S. states will be issued

Submarine groundwater discharge to Tampa Bay : nutrient fluxes and biogeochemistry of the coastal aquifer

This paper is not subject to U.S. copyright. The definitive version was published in Marine Chemistry 104 (2007): 85-97, doi:10.1016/j.marchem.2006.10.012.To separately quantify the roles of fresh and saline submarine groundwater discharge (SGD), relative to that of rivers, in transporting nutrients to Tampa Bay, Florida, we used three approaches (Darcy's Law calculations, a watershed water budget, and a 222Rn mass-balance) to estimate rate of SGD from the Pinellas peninsula. Groundwater samples were collected in 69 locations in the coastal aquifer to examine biogeochemical conditions, nutrient concentrations and stoichiometry, and salinity structure. Salinity structure was also examined using stationary electrical resistivity measurements. The coastal aquifer along the Pinellas peninsula was chemically reducing in all locations sampled, and that condition influences nitrogen (N) form and mobility of N and PO43−. Concentrations of NH4+, PO43− and ratio of dissolved inorganic N (DIN) to PO43− were all related to measured oxidation/reduction potential (pε) of the groundwater. Ratio of DIN: PO43− was below Redfield ratio in both fresh and saline groundwater. Nitrogen occurred almost exclusively in reduced forms, NH4+ and dissolved organic nitrogen (DON), suggesting that anthropogenic N is exported from the watershed in those forms. In comparison to other SGD studies, rate of PO43− flux in the seepage zone (μM m− 2 d− 1) in Tampa Bay was higher than previous estimates, likely due to 1) high watershed population density, 2) chemically reducing conditions, and 3) high ion concentrations in fresh groundwater. Estimates of freshwater groundwater flux indicate that the ratio of groundwater discharge to stream flow is not, vert, similar 20 to 50%, and that the magnitudes of both the total dissolved nitrogen and PO43− loads due to fresh SGD are not, vert, similar 40 to 100% of loads carried by streams. Estimates of SGD based on radon inventories in near-shore waters were 2 to 5 times greater than the estimates of freshwater groundwater discharge, suggesting that brackish and saline SGD is also an important process in Tampa Bay and results in flux of regenerated N and P from sediment to surface water.This work was supported by a USGS Mendenhall Postdoctoral Fellowship to K.D.K. and by the USGS Coastal and Marine Geology Program's (CMGP) Tampa Bay Project

The Lactobacillus flora in vagina and rectum of fertile and postmenopausal healthy Swedish women

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p><it>Lactobacillus </it>species are the most often found inhabitants of vaginal ecosystem of fertile women. In postmenopausal women with low oestrogen levels, <it>Lactobacillus </it>flora is diminishing or absent. However, no studies have been performed to investigate the correlation between oestrogen levels and the lactobacilli in the gut. The aim of the present study was to investigate the relation in healthy women between vaginal and rectal microbial flora as well as possible variations with hormone levels.</p> <p>Methods</p> <p>Vaginal and rectal smears were taken from 20 healthy fertile women, average 40 years (range 28-49 years), in two different phases of the menstrual cycle, and from 20 postmenopausal women, average 60 years (range 52-85 years). Serum sex hormone levels were analyzed. Bacteria from the smears isolated on Rogosa Agar were grouped by Randomly Amplified Polymorphic DNA and identified by multiplex PCR and partial 16S rRNA gene sequencing.</p> <p>Results</p> <p><it>Lactobacillus crispatus </it>was more often found in the vaginal flora of fertile women than in that of postmenopausal (p = 0.036). Fifteen of 20 fertile women had lactobacilli in their rectal smears compared to 10 postmenopausal women (p = 0.071). There was no correlation between the number of bacteria in vagina and rectum, or between the number of bacteria and hormonal levels. Neither could any association between the presence of rectal lactobacilli and hormonal levels be found.</p> <p>Conclusion</p> <p><it>Lactobacillus crispatus </it>was more prevalent in the vaginal flora of fertile women, whereas the <it>Lactobacillus </it>flora of rectum did not correlate to the vaginal flora nor to hormonal levels.</p