Dwarf Galaxies in Voids: Dark Matter Halos and Gas Cooling

Galaxy surveys have shown that luminous galaxies are mainly distributed in large filaments and galaxy clusters. The remaining large volumes are virtually devoid of luminous galaxies. This is in concordance with the formation of the large-scale structure in Universe as derived from cosmological simulations. However, the numerical results indicate that cosmological voids are abundantly populated with dark matter haloes which may in principle host dwarf galaxies. Observational efforts have in contrast revealed, that voids are apparently devoid of dwarf galaxies. We investigate the formation of dwarf galaxies in voids by hydrodynamical cosmological simulations. Due to the cosmic ultra-violet background radiation low-mass haloes show generally are reduced baryon fraction. We determine the characteristic mass below which dwarf galaxies are baryon deficient. We show that the circular velocity below which the accretion of baryons is suppressed is approximately 40 km/s. The suppressed baryon accretion is caused by the photo-heating due to the UV-background. We set up a spherical halo model and show that the effective equation of state of the gas in the periphery of dwarf galaxies determines the characteristic mass. This implies that any process which heats the gas around dwarf galaxies increases the characteristic mass and thus reduces the number of observable dwarf galaxies.Comment: 23 pages. To appear in Advances in Astronomy, Dwarf-Galaxy Cosmology issu

Radio signature of cosmological structure formation shocks

In the course of the formation of cosmological structures, large shock waves are generated in the intra-cluster medium. In analogy to processes in supernova remnants, these shock waves may generate a significant population of relativistic electrons which, in turn, produce observable synchrotron emission. The extended radio relics found at the periphery of several clusters and possibly also a fraction of radio halo emission may have this origin. Here we derive an analytic expression for (i) the total radio power in the downstream region of a cosmological shock wave and (ii) the width of the radio-emitting region. These expressions predict a spectral slope close to -1 for strong shocks. Moderate shocks, such as those produced in mergers between clusters of galaxies, lead to a somewhat steeper spectrum. Moreover, we predict an upper limit for the radio power of cosmological shocks. Comparing our results to the radio relics in Abell115, 2256, and 3667, we conclude that the magnetic field in these relics is typically at a level of 0.1 mu G. Magnetic fields in the intra-cluster medium are presumably generated by the shocks themselves, this allows us to calculate the radio emission as a function of the cluster temperature. The resulting emissions agree very well with the radio power-temperature relation found for cluster halos. Finally, we show that cosmic accretion shocks generate less radio emission than merger shock waves. The latter may, however, be detected with upcoming radio telescopes.Comment: 28 pages, 8 figures, MNRAS accepte

Too small to form a galaxy: How the UV background determines the baryon fraction

The cosmic ultraviolet background (UVB) heats the intergalactic medium (IGM), as a result the gas in dark matter halos below a certain mass is too hot to cool within a Hubble time. The UVB effectively suppresses the formation of dwarf galaxies. Using high resolution cosmological hydrodynamical simulations we show that photo heating leads to small baryon fractions in halos below ~ 6x10^9 h^{-1}M_sun, independent of the cosmic environment. The simulations are carried out assuming a homogeneous UVB with flux densities as given by Haardt & Madau (1996). A halo may stop to condense gas significantly after the universe is reionised, namely when its mass falls below the characteristic mass scale set by the photo heating. Assuming a spherical halo model we derive this characteristic mass analytically and identify the main mechanisms that prevent the gas from cooling in small halos. The theoretically derived characteristic mass is smaller than the one obtained from observations. Increasing the energy per ionising photon by a factor between four and eight would be sufficient to reconcile both. This is equivalent to an average temperature of the IGM of ~ 10^4 K. In this sense the faint end of the luminosity function may serve as a calorimeter for the IGM.Comment: To appear in Proceedings of IAU Symp #244, "Dark Galaxies and Lost Baryons", June 2007, 5 pages including 3 figure

Reconciling radio relic observations and simulations: The NVSS sample

The diffusive shock acceleration scenario is usually invoked to explain radio relics, although the detailed driving mechanism is still a matter of debate. Our aim is to constrain models for the origin of radio relics by comparing observed relic samples with simulated ones. Here we present a framework to homogeneously extract the whole sample of known radio relics from NVSS so that it can be used for comparison with cosmological simulations. In this way, we can better handle intrinsic biases in the analysis of the radio relic population. In addition, we show some properties of the resulting NVSS sample relics such as the correlation between relic shape and orientation with respect to the cluster. Also, we briefly discuss the typical relic surface brightness and its relation to projected cluster distance and relic angular sizes.Comment: 4 pages, 2 figures. Proceedings of "The many facets of extragalactic radio surveys: towards new scientific challenges" (EXTRA-RADSUR2015). 20-23 October 2015. Bologna, Ital

Dwarf galaxies in voids: Suppressing star formation with photo-heating

We study structure formation in cosmological void regions using high-resolution hydrodynamical simulations. Despite being significantly underdense, voids are populated abundantly with small dark matter halos which should appear as dwarf galaxies if their star formation is not suppressed significantly. We here investigate to which extent the cosmological UV-background photo-evaporates baryons out of halos of dwarf galaxies, and thereby limits their cooling and star formation rates. Assuming a Haardt & Madau UV-background with reionisation at redshift z=6, our samples of simulated galaxies show that halos with masses below a characteristic mass of M_c(z=0) = 6.5 x 10^9 h^{-1} M_sun are baryon-poor, but in general not completely empty, because baryons that are in the condensed cold phase or are already locked up in stars resist evaporation. In halos with mass M < M_c, we find that photo-heating suppresses further cooling of gas. The redshift and UV-background dependent characteristic mass M_c(z) can be understood from the equilibrium temperature between heating and cooling at a characteristic overdensity of \delta ~ 1000. If a halo is massive enough to compress gas to this density despite the presence of the UV background, gas is free to `enter' the condensed phase and cooling continues in the halo, otherwise it stalls. By analysing the mass accretion histories of dwarf galaxies in voids, we show that they can build up a significant amount of condensed mass at early times before the epoch of reionisation. Later on, the amount of mass in this phase remains roughly constant, but the masses of the dark matter halos continue to increase. (abridged)Comment: revised version as accepted by MNRAS, 15 pages, 15 figures, new simulation results and a significantly extended discussion have been include

N-body U and K matrix program

Computer program was devised to compute free-fall trajectories of satellites, allowing for injection errors and midcourse velocity perturbations. Program consists of trajectory perturbing program and N-body integrating conic program which can also be used as 2-body patch conic program

Can cluster merger shocks reproduce the luminosity and shape distribution of radio relics?

Radio relics in galaxy clusters are believed to trace merger shock fronts. If cosmological structure formation determines the luminosity, size and shape distributions of radio relics, then merger shocks need to be lighted up in a homogeneous way. We investigate if a mock relic sample, obtained from zoomed galaxy cluster simulations, is able to match the properties of relics measured in the NRAO VLA Sky Survey (NVSS). We compile a list of all radio relics known to date and homogeneously measure their parameters in all NVSS images and apply the same procedure to relics in our simulations. Number counts in the mock relic sample increase more steeply towards lower relic flux densities, suggesting an incompleteness of NVSS in this regime. Overall, we find that NVSS and mock samples show similar properties. However, large simulated relics tend to be somewhat smaller and closer to the cluster centre than observed ones. Besides this, the mock sample reproduces very well-known correlations for radio relics, in particular those relating the radio luminosity with the largest linear size and the X-ray luminosity. We show that these correlations are largely governed by the sensitivity of the NVSS observations. Mock relics show a similar orientation with respect to the direction to the cluster centre as the NVSS sample. Moreover, we find that their maximum radio luminosity roughly correlates with cluster mass, although displaying a large scatter. The overall good agreement between NVSS and the mock sample suggests that properties of radio relics are indeed governed by merger shock fronts, emitting in a homogeneous fashion. Our study demonstrates that the combination of mock observations and data from upcoming radio surveys will allow us to shed light on both the origin of radio relics and the nature of the intracluster medium.Fil: Nuza, Sebastian Ernesto. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; Argentina. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Gelszinnis, Jakob. Thüringer Landessternwarte; AlemaniaFil: Hoeft, Matthias. Thüringer Landessternwarte; AlemaniaFil: Yepes, Gustavo. Universidad Autónoma de Madrid; Españ

Investigating The Mechanisms That Drive Implicit Coordination In Teams

The purpose of this study was to empirically test the oft-noted hypothesis that shared mental models lead to implicit coordination. Specifically, this dissertation investigated the underlying mechanisms of implicit coordination and how different aspects of shared mental models affect the process. The research questions tested in this study were (a)how perceptions of sharedness affect the initiation of implicit coordination, (b) how actual levels of sharedness affect the process of implicit coordination, and (c) how quality of task mental models affects successful implicit coordination. Sixty same-gender, two-person teams engaged in a complex military reconnaissance planning task in which the team members were required to work together by exchanging information to plan routes for one unmanned aerial vehicle (UAV) and one unmanned ground vehicle (UGV). The results provided partial support for the influence of different facets of shared mental models on the process of implicit coordination. Specifically, individual mental model quality, not perceptions of sharedness or actual mental model sharedness, was the biggest predictor of the initiation of implicit coordination. Additionally, perceptions of sharedness and actual mental model sharedness interacted with one another, such that teams in mismatched conditions (high perceptions of sharedness but low actual sharedness [false consensus], or low perceptions of sharedness and high actual sharedness, [pluralistic ignorance]) tended to increase their communications. The implications and recommendations for future research on implicit coordination and shared mental models are discussed. Additionally, the implications for operators of unmanned vehicles are also discussed

Grassland Management and Diversity Effects on Soil Nitrogen Dynamics and Losses

Grünland spielt eine große Rolle in der Landnutzung und nimmt ein Drittel der landwirtschaftlich genutzten Fläche von Europa ein. Als Konsequenz der Intensivierung landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmaßnahmen der letzten 60 Jahre nahm die Produktivität des Grünlands zu während die Diversität dieser Systeme abnahm. In Grünland-Ökosystemen spielt Stickstoff (N) eine Schlüsselrolle – N bedingt die Primärproduktion und beeinflusst die Biodiversität. Zudem kann eine steigende N-Verfügbarkeit gasförmige Emissionen, wie z.B. Distickstoffoxid (N2O) und Stickstoffmonoxid (NO) fördern, die eine große Rolle in der Atmosphäre spielen und zur globalen Erwärmung beitragen. Eine höhere Nitratauswaschung (NO3-) aus Böden kann eine Gefahr für die Grundwasserqualität sein. N-Verluste durch Ausgasung von N2O und NO sowie NO3--Auswaschung sind dabei die Folgen der mikrobiellen Prozesse Denitrifikation und Nitrifikation. In dieser Studie haben wir den Effekt von unterschiedlichen Bewirtschaftungsintensitäten und funktioneller Pflanzendiversität auf die N-Verluste und Ökosystemfunktionen untersucht. Die Studie ist Teil des Excellenzclusters „Funktionelle Biodiversitätsforschung“ der Georg-August-Universität Göttingen und wurde durch das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur finanziert. Die Studie wurde im Rahmen von zwei interdisziplinären Projekten (BIOMIX & GRASSMAN) von 2008 bis 2010 im Solling, Niedersachsen, Deutschland durchgeführt. Wir untersuchten von Rindern und Schafen beweidetes Grünland (BIOMIX) und gemähtes Grünland mit unterschiedlichen Bewirtschaftungsintensitäten (GRASSMAN). In beiden Projekten wurde die funktionelle Pflanzendiversität durch Herbizide eingestellt. Der Fokus unserer Arbeit lag auf den N-Verlusten (N2O and NO Emissionen, NO3--Auswaschung) und der N Dynamik (Netto und Brutto Mineralisation). In GRASSMAN berechneten wir zusätzlich die N-Nutzungseffizienz und die N-Rückhalteeffizienz auf Ökosystemebene. Dabei ist die N-Nutzungseffizienz das Produkt der Aufnahmeeffizienz (definiert als N-Aufnahme der Pflanze pro verfügbares N) und der N-Nutzungseffizienz auf Pflanzenebene (definiert als Produktivität pro N-Aufnahme der Pflanze). Darüber hinaus berechnen wir N-Rückhalteeffizienz in Böden als einen Index, der das Verhältnis von N-Verlusten zu dem im Grünland verbleibenden N beschreibt. In BIOMIX haben wir die Auswirkung von Beweidung und Pflanzenarten-zusammensetzung auf N2O and NO Emissionen untersucht. Die mit einem Herbizid gegen Dikotyle vorbehandelten Weiden wurden mit Rindern oder Schafen Rotationsweise beweidet. Mittlere N2O Emissionen lagen bei 38.7 µg N2O-N m-2 h-1, mittlere NO Emissionen betrugen 2.4 µg NO-N m-2 h-1. Kumulative NO-N Emissionen waren höher auf den von Schafen beweideten Flächen als auf den von Rindern beweideten Flächen. In einem kontrollierten Applikations-Experiment führte die Behandlung mit Rinderurin zu höheren N2O Emissionen als die Behandlung mit Schafurin. Die Emissionshöchstwerte von 1921 µg N2O-N m-2 h-1 bei Behandlung mit Rinderurin im Vergleich zu 556 µg N2O-N m-2 h-1 bei Schafurin standen im Zusammenhang mit unterschiedlichen N-Einträgen pro Ausscheidung der Tiere. Die Emissionshöchstwerte der mit Dung behandelten Flächen waren im Vergleich mit den jeweiligen Urinbehandlungen viel geringer. Die N2O Emissionsfaktoren betrugen 0.4% für Rinderurin, 0.5% für Schafurin, 0.05% für Rinderdung und 0.09% für Schafdung. Sowohl das Beweidungs-Experiment, als auch das kontrollierte Applikations-Experiment zeigten, dass die Pflanzenartenzusammensetzung auf N-Emissionen im Vergleich zum Einfluss der Weidetierart auf N-Emissionen unbedeutend war. Trotz höherer N-Einträge auf Rinderweiden waren die N-Emissionen aus der Schafbeweidung höher. Wir führten dies auf die gleichmäßigere Verteilung von Schafs-Exkrementen im Vergleich zu Rindern-Exkrementen zurück. In GRASSMAN untersuchten wir die Auswirkungen von unterschiedlichen Bewirtschaftungsregimen (Düngung und Schnittintensität) und Pflanzenarten-zusammensetzung auf die N-Verluste (N2O Emissionen, NO3- Auswaschung) und die N-Dynamik (Netto und Brutto Mineralisation) und kalkulierten die N-Nutzungseffizienz und die N-Rückhalteeffizienz. Ein dreifaktorielles Design mit folgenden Faktoren wurde über einen Zeitraum von zwei Jahren etabliert: Düngung (180 – 30 – 100 kg NPK ha-1 yr-1 und keine Düngung), Schnittintensität (ein- und dreimal pro Jahr) und Pflanzenartenzusammensetzung (eine unbehandelte Kontrolle, eine Dikotyl-erhöhte und eine Monokotyl-erhöhte Grasnarbe). In 2009 wurden die N2O Emissionen erheblich von beiden Bewirtschaftungsfaktoren (Düngung und Schnittintensität) beeinflusst, während in 2010 nur die Düngung die N2O Emissionen beeinflusste. In 2009 wurden NO3- Auswaschungsverluste durch Düngung und in 2010 von beiden Bewirtschaftungsfaktoren (Düngung und Schnittintensität) beeinflusst. Die Netto N-Mineralisation Raten wurden in 2009 nur von der Düngung beeinflusst. In 2010, zeigte nicht nur die Düngung, sondern auch die Schnittintensität einen Einfluss auf die Netto N-Mineralisation Raten. Weder die Bewirtschaftung (Düngung) noch die Pflanzenartenzusammensetzung hatte einen Einfluss auf die Brutto N-Mineralisation. Die N-Nutzungseffizienz wurde vor allem durch die Düngung und als weiterer Faktor durch die Schnittintensität in 2009 beeinflusst, welche 41% bzw. 3% der Varianz erklärten. In 2010 hatte die Düngung mit 24% der erklärten Varianz einen geringeren Effekt auf die N-Nutzungseffizienz, während die Auswirkungen der Schnittintensität (12%) und die Pflanzenartenzusammensetzung (6%) stärker ausgeprägt waren. Die N-Nutzungseffizienz war auf ungedüngten Flächen größer als auf gedüngten, in den dreimal geschnittenen Flächen höher als in den einmal geschnittenen, und in der unbehandelten Kontrolle höher als in der Monokotyl-erhöhte oder Dikotyl-erhöhte Grasnarbe. Düngung verringert die N-Nutzungseffizienz durch die Abnahme in der N-Aufnahmeeffizienz und der N-Nutzungseffizienz auf Pflanzenebene, während die Schnittintensität und die Pflanzenartenzusammensetzung nur durch die N-Aufnahmeeffizienz beeinflusst werden. Die N-Rückhalteeffizienz wurde nur für 2010 berechnet und wurde durch die Düngung und die Pflanzenartenzusammensetzung mit 22% und 17% der erklärten Varianz beeinflusst. N-Rückhalteeffizienz nahm in der Reihenfolge unbehandelte Kontrolle > Dikotyl-erhöhte > Monokotyl-erhöhte Grasnarbe mit einem signifikanten Unterschied zwischen der unbehandelten Kontrolle und der Monokotyl-erhöhten Grasnarbe ab. Die N-Rückhalteeffizienz ist mit dem mikrobiellen Ammonium (NH4+) und der mikrobiellen Biomasse hoch und mit der N-Aufnahme der Pflanzen nur gering korreliert, was die Bedeutung der mikrobiellen N Retention im System Boden-Pflanze unterstreicht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Bewirtschaftung der wichtigste und bestimmende Faktor der Ökosystemfunktionen eines Grünlands ist. Düngung, Schnittintensität und Beweidung beeinflussen die N-Nutzungseffizienz, die N-Rückhalteeffizienz und die N-Verluste. Die Zusammensetzung der botanischen Grasnarbe hat einen geringen Einfluss auf den N Kreislauf oder die N-Nutzungs- und die N-Rückhalteeffizienz. Wobei die Pflanzenartenzusammensetzung der unbehandelten Kontrolle (~70% Monokotyle und ~30% Dikotyle), die sich unter der extensiven Langzeit-Bewirtschaftung eingestellt hatte, die höchsten Effizienzen zeigte - sowohl eine Erhöhung der Monokotyledonen als auch eine Erhöhung der Dikotyledonen führte zu einer Verringerung der Effizienzen. Darüber hinaus sind N-Nutzungs- und N-Rückhalteeffizienz geeignete Werkzeuge, die sich zur Evaluierung ökologischer Nachhaltigkeit von Pflanzenartenzusammensetzungen und Management-Praktiken im Grünland eignen