http://hdl.handle.net/10900/42126 2026-08-16T03:39:41Z 2026-08-16T03:39:41Z Schynowski, Leah Katharina http://hdl.handle.net/10900/182333 2026-08-15T01:02:46Z 2026-08-14T00:00:00Z

Pre-Ignition Fire Detection Using Semiconducting Metal Oxide Gas Sensors – Experimental and Chemometric Investigations Schynowski, Leah Katharina Aufgrund der unzureichenden Möglichkeiten, die derzeit zur Branddetektion in bemannten Habitaten im All zur Verfügung stehen, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer Alternative zu der gebräuchlichen Partikeldetektion. Durch fehlende Sedimentation in Mikrogravitation, sowie die Agglomeration der Partikel in der erzwungenen Konvektion an Bord, kommt es zu veränderten Anforderungen an die Detektoren, im Vergleich zu terrestrischen Anwendungen. Beispielsweise konnte in einer Experimentreihe die unzureichende Detektion, des auf der Internationalen Raumstation verwendeten optischen Detektors, gegenüber kleiner Partikel, emittiert von erhitzten Raumfahrtwerkstoffen, festgestellt werden. Angesichts des enormen Risikos, das in dem abgeschlossenen Volumen eines Weltraumhabitats von den bei einem Brand entstehenden Gase ausgeht, ist eine schnelle Reaktion, möglicherweise sogar Evakuierung, entscheidend für das Überleben der Besatzung. Zudem führt wiederholte Detektion von Staub und anderen Partikeln zu Fehlalarmen, welche die Alarmbereitschaft der Crew erheblich beeinflussen und kurzzeitige Deaktivierung der Lüftung sowie sorgfältige Protokollierung der Situation nach sich ziehen. Die Problematik könnte sich möglicherweise nach dem Ende der Internationalen Raumstation weiter zuspitzen, da durch die geplanten Missionen zum Mond und Mars planetare Stäube in die Habitate gebracht werden könnten. Die derzeitige Maßnahme, um während der regelmäßigen Reinigungen keine Fehlalarme zu provozieren, ist die simple Abschaltung der Detektoren. Diese Arbeit beschreibt die ersten Schritte in der Entwicklung eines Systems zur Detektion während der Entstehungsphase eines Brandes, vor Entzündung und dem Entstehen einer Flamme. Definiert durch die Zeit als entscheidende Ressource, sowie die Anforderungen an Energieverbrauch, Masse und Volumen, überzeugen miniaturisierte Metalloxid-Halbleitersensoren (SMOX) als Hauptkomponenten des zu entwickelnden Systems. Durch ihre hohe Sensitivität gegenüber flüchtigen organischen Stoffen, welche abhängig von der Temperatur aus Polymeren entweichen, sind die kommerziellen Sensoren SGP40 (Sensirion AG, Schweiz) geeignete Kandidaten. Als Testmaterialien wurden die in der Raumfahrt verwendeten Kunststoffe Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS), Nomex® IIIA und Kapton® gewählt. Erkenntnisse, über aus den Materialien ausgasende Spezies sowie Zersetzungstemperaturen, wurden mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie und thermogravimetrischer Analyse gewonnen. Ein Großteil der Arbeit beschreibt die Entwicklung einer geeigneten Testanlage zur Durchführung der Detektionsexperimente. Um die Anlage auch in zukünftigen Arbeiten möglichst vielseitig verwenden zu können, wurden einige Funktionalitäten (wie beispielsweise automatisierte Lüftung und die Injektion von Analyten) eingerichtet und deren Entwicklung sowie nachfolgende Validierung dokumentiert. In diesem Aufbau, unter Verwendung eines Rohrofens, wurden die Testmaterialien und die Sensorantworten der SGP40 ausgewertet. Durch Modellierung der Betriebstemperatur der Sensoren, unter Verwendung chemometrischer Methoden, konnten gewonnene Modellvorhersagen präzisiert werden. So gelang es mittlere relative Fehler zwischen realen Temperaturen und Vorhersage von 4.74 % für PMMA, 5.52 % für Nomex® IIIA, 14.20 % für PDMS und 14.94 % für Kapton® zu erreichen. Die mittleren absoluten Fehler der Random-Forest-Regression liegen zwischen etwa 3 K und 10 K. Zur Evaluierung des Potenzials des SGP40 eine Gasquelle zu lokalisieren, wurde in der genannten Testanlage eine Machbarkeitsstudie mit PMMA als repräsentativen Werkstoff durchgeführt. Dabei wurde der Rohrofen zwischen drei möglichen Positionen verschoben, und die entstehenden Gase wurden mit 32 im 1 m^3 großen Testvolumen verteilten Sensoren gemessen. Nicht nur konnten mittels dynamischer Zeitnormierung und k-Nächste-Nachbarn-Algorithmus unter Leave-One-Out-Kreuzvalidierung 100 % der Positionen richtig zugeordnet werden, das Experiment lieferte auch wichtige Einblicke in die Bewegungen der Gaswolke und die hierdurch mehr oder weniger geeigneten Sensorpositionen. Durch die in dieser Arbeit gesammelten Informationen wurde die Basis für die Entwicklung eines Systems zur Detektion während der Entstehungsphase eines Brandes geschaffen und entsprechend weitere Schritte konkretisiert. Neben den gewonnenen Erkenntnissen, wurden Hard- und Software für die Testanlage entwickelt und dokumentiert, welche weiterhin für das Projekt der Branddetektion sowie darüber hinaus Anwendung in verschiedenen Bereichen der Gassensorik finden werden.; The issue of insufficient technology for smoke or fire detection in habitable spacecraft was the main motivator for this work. Due to complex shapes, sizes, and movements of particles and agglomerates in microgravity and forced convection, the requirements for detectors differ from terrestrial application. As a consequence, frequent false alarms decrease the alertness of the crew on missions. Regular deactivation of the detection system, as currently practiced during cleaning activities on the International Space Station (ISS), is an unsatisfactory solution. The current detector’s lack of sensitivity toward small particles generated from overheated spacecraft materials, as revealed by experiments, makes innovation all the more necessary. This work documents the first steps in the overall project to develop a suited pre-ignition fire detection system. With the key limitation of time, pre-ignition fire detection is targeted using highly sensitive, small, power-efficient, and fast semiconducting metal oxide (SMOX)-based sensors. As the main component of the detection system, the commercially available sensor SGP40 (Sensirion AG, Switzerland) was chosen and investigated, to address the current issues on the ISS and more crucially, the arising obstacles, caused by planetary dust in future missions to the Moon and Mars. Poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(dimethylsiloxane) (PDMS), Nomex® IIIA, and Kapton® were selected as materials used in space applications and their thermal behavior and outgassing analyzed. A test-apparatus was built to facilitate the detection experiment, while doubling as a multi-purpose and future relevant gas mixing system. The design and development process as well as information on the construction and software are documented as part of this work to support maintenance and promote adaptations to the needs of scientific tasks. The polymers were heated in a controlled manner, in a specialized tube furnace, and the thermally-driven outgassing measured the SGP40 sensors, in constant and temperature modulated operation. In combination with suited chemometric methods, predictions on material temperatures resulted in mean absolute errors of 4.74 % for PMMA, 5.52 % for Nomex® IIIA, 14.20 % for PDMS, and 14.94 % for Kapton® . Mean relative errors ranged from 3 K to 10 K, using random forest regression. Additionally, the materials’ relevant characteristics of degradation temperature and outgassing species were assessed using thermogravimetric analysis-mass spectrometry (TGA-MS) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Further investigations on the ability of the commercial sensor were conducted, to deliver spatial information on a source. For this purpose, 32 sensors were distributed in a chemical sensor grid, in the 1 m^3 test volume of the test-apparatus, in an attempt to localize the origin of heated PMMA in a three-class classification. The patterns of the sensor responses led to a classification accuracy of 100 % using dynamic time warping distances with the k-nearest neighbors algorithm. Furthermore, information on the plume movement was gained, leading to the identification of optimal sensor placement in the present configuration. The results of this work form the basis for further development of pre-ignition fire detection, while the specialized test system will remain in use beyond the scope of the project.

2026-08-14T00:00:00Z Ohnemus, Thomas http://hdl.handle.net/10900/182332 2026-08-15T01:01:01Z 2026-08-14T00:00:00Z

Spatial Network Design of the eLTER Research Infrastructure Ohnemus, Thomas Research Infrastructures (RIs) are key to face the grand environmental challenges humanity encounters by providing standardized, accessible, large-scale data. Yet, observation locations in RIs tend to be biased. These biases cannot simply be judged by spatial distance. Rather, meaningful RI-specific indicators describing a status quo and future conditions should be the basis to uncover biases and inform an RI’s spatial network design. This thesis studies the spatial network design of the Integrated European Long-Term Ecosystem, critical zone and socio-ecological Research Infrastructure (eLTER RI). Therefore, eLTER RI’s target region was defined and a survey was conducted to describe eLTER RI’s network of in-situ facilities. As relevant indicators, six indicators collectively describing current ecosystem functioning were chosen and four indicators describing Global Change Pressure on ecosystems were developed. Based on these indicators, using a representativity analysis sampling bias was identified. Lastly, it was investigated whether in-situ facilities of other RIs can resolve sampling bias within eLTER RI. eLTER RI currently consists of 204 in-situ facilities, which underrepresent agricultural lands, dry bioclimates, areas with low economic density, areas projected to experience a strong increase and a strong decrease in precipitation, little change in biotemperature, both strong and hardly any land use change, and areas where water availability during a year becomes more uniform. Spatially, these conditions and therefore underrepresented regions cluster in the Iberian Peninsula, Fennoscandia and Eastern Europe. Facilities of other RIs can convincingly counteract bias in Eastern Europe, but not in the other regions. As long as biases within an RI persist, they must be addressed in data analyses, e.g. by removing data or explicitly mention biases uncovered. Only an unbiased in-situ facility network would allow confident upscaling of all data. The procedure to design the spatial network of an RI outlined in this thesis can function as a blueprint for continental or global scale RI development towards minimizing sampling bias.

2026-08-14T00:00:00Z Müller, Marius http://hdl.handle.net/10900/182264 2026-08-14T01:04:28Z 2026-08-13T00:00:00Z

Compiling with Consumers Müller, Marius In unserer hochgradig digitalisierten Welt sind Computerprogramme allgegenwärtig. Es gibt eine Vielzahl von Hochsprachen mit komplexen Sprachmerkmalen, die das strukturierte Schreiben von Code erleichtern. Letztlich muss dieser Code jedoch auf realer Hardware ausgeführt werden, die weitaus weniger strukturiert ist und komplexe hochsprachliche Merkmale nicht direkt ausdrücken kann. Ein Programm aus einer Ausgangssprache, in der Programmierer ihre Programme schreiben, in Befehle zu kompilieren, die eine reale Maschine versteht, ist daher eine komplexe Aufgabe. Ein Compiler sollte nicht nur Maschinencode erzeugen, der das beabsichtigte Verhalten des Programms korrekt umsetzt, sondern der erzeugte Code sollte auch effizient ausgeführt werden. Diese anspruchsvolle Aufgabe wird durch den Einsatz einer Zwischenrepräsentation im Compiler ermöglicht, die die Lücke zwischen hochsprachlichen Annehmlichkeiten und maschinennahen Anforderungen überbrückt. Moderne funktionale Programmiersprachen zeichnen sich oft durch ein besonders hohes Abstraktionsniveau aus. Dies ermöglicht es Programmierern zwar häufig Programme auf eine prägnante und elegante Weise auszudrücken, macht jedoch zugleich die Kompilierung solcher Sprachen besonders herausfordernd. Erschwerend kommt hinzu, dass moderne Programme oft kontinuierlich mit externen Komponenten interagieren, was asynchron erfolgen muss, um die Ausführung nicht zu blockieren, während auf das Ergebnis der externen Komponente gewartet wird. Asynchrone Kommunikation erfordert die Fähigkeit, nicht-lokale Kontrollflüsse auszudrücken. Compiler gehen damit typischerweise auf zwei Arten um: Entweder sie fügen dem Laufzeitsystem Unterstützung für eine Art von Kontrolloperator hinzu, oder sie wenden eine Übersetzung an, die nicht-lokale Kontrolleffekte durch andere Konstrukte ausdrückt, die in der Zwischenrepräsentation des Compilers bereits vorhanden sind. Eine Möglichkeit, nicht-lokalen Kontrollfluss auszudrücken, ist die Verwendung einer Zwischenrepräsentation mit expliziten Konsumenten (consumers). Ein gut untersuchtes Beispiel hierfür sind Zwischenrepräsentationen im Continuation-Passing Style (CPS). Im Continuation-Passing Style ist die Continuation, d.h. der Rest der Berechnung, explizit als Term in der Sprache vorhanden. Sprachen im Continuation-Passing Style sind seit langem als Option für Zwischenrepräsentationen in Compilern etabliert. Eine andere, bisher deutlich weniger beachtete Möglichkeit sind Sprachen, die auf dem Sequenzenkalkül basieren. Der Sequenzenkalkül ist das Gegenstück zum natürlichen Schließen, bekannt aus der Logik. Während das natürliche Schließen durch seine Entsprechung mit dem Lambda-Kalkül via des Curry-Howard-Isomorphismus seit langem als Grundlage funktionaler Programmiersprachen dient, wurde erst vergleichsweise kürzlich ein zufriedenstellendes Termzuweisungssystem für den klassischen Sequenzenkalkül gefunden. Im Gegensatz zum natürlichen Schließen und dem Lambda-Kalkül, die auf Beweise, welche zu Produzenten (producers) korrespondieren, ausgerichtet sind, behandeln der klassische Sequenzenkalkül und darauf basierende Sprachen Beweise und Widerlegungen, welche zu Konsumenten korrespondieren, auf symmetrische Weise. Dies macht solche Sprachen zu einer interessanten Alternative zum Continuation-Passing Style für Zwischenrepräsentationen. In dieser Dissertation untersuchen wir zwei verschiedene Möglichkeiten, wie explizite Konsumenten bei der Kompilierung funktionaler Programmiersprachen eingesetzt werden können. Zunächst betrachten wir Zwischenrepräsentationen im Continuation-Passing Style sowie Übersetzungen in diese. Eine naheliegende Frage in diesem Zusammenhang ist, ob es möglich ist, Programme aus dem Continuation-Passing Style wieder zurück in den Direktstil (direct style) zu übersetzen, in dem Programme üblicherweise geschrieben werden. Dies ist nicht nur theoretisch von Interesse, sondern hat auch praktische Relevanz. Zwar bringt der Continuation-Passing Style viele Vorteile für Zwischenrepräsentationen mit sich, jedoch auch einige Nachteile im Vergleich zum Direktstil. Insbesondere stellen viele Plattformen einen Aufrufstapel (call stack) bereit, der von Programmen im Continuation-Passing Style nicht genutzt wird. Eine geeignete Rückübersetzung in den Direktstil könnte es einem Compiler ermöglichen, die Vorteile beider Stile zu nutzen. Im ersten Teil dieser Arbeit stellen wir daher das Design einer Rückübersetzung in den Direktstil vor, die viele Eigenschaften besitzt, die im Compiler-Kontext wichtig sind, und legen damit die Grundlage für eine praktische Anwendbarkeit einer solchen Übersetzung. Im zweiten Teil dieser Arbeit gehen wir in die andere Richtung: Wir kompilieren bis hinunter zu Maschinencode. Dabei verwenden wir jedoch nicht den Continuation-Passing Style, sondern untersuchen Zwischenrepräsentationen auf Basis des klassischen Sequenzenkalküls. Wir präsentieren eine vollständige Kompilationskette, beginnend mit einer funktionalen Ausgangssprache mit interessanten Eigenschaften, bis hin zur Erzeugung von Maschinencode, der auf einem realen Computer ausgeführt werden kann. Wir identifizieren eine Normalform unserer sequenzenkalkülbasierten Zwischenrepräsentation, die sich für eine überraschend direkte Möglichkeit der Codegenerierung eignet. Die symmetrische Struktur von Sprachen, die auf dem klassischen Sequenzenkalkül basieren, macht sie, auch im Hinblick auf Optimierungen, zu einem vielversprechenden Ziel, und unsere Kompilationskette bildet die Grundlage für zukünftige Untersuchungen.; In our highly digitalized world, computer programs are ubiquitous. There is a multitude of high-level programming languages with complex language features that facilitate writing code in a structured way. Eventually, however, this code must be executed on real hardware, which is much less structured and cannot express complex high-level features directly. Compiling a program from a surface language, used by programmers to write their programs, into instructions a real machine understands hence is a complicated task. A compiler should not only generate machine code that correctly implements the intended behavior of the program written in the surface language, but the generated code should also execute efficiently. This complicated task is made possible by employing a compiler intermediate representation that bridges the gap between high-level conveniences and low-level concerns. Modern functional programming languages tend to exhibit a particularly high level of abstraction. While this often enables programmers to express programs in a concise and elegant way, it also makes the compilation of such languages particularly challenging. This is exacerbated by the fact that modern programs often continually interact with external components, which must be done in an asynchronous way to avoid blocking execution while waiting for the result of the external component. Asynchronous communication requires the ability to express non-local control flow. Compilers typically deal with this in one of two ways. Either they add support for some kind of control operator in the runtime system, or they apply a translation to express non-local control effects in terms of other constructs present in the compiler intermediate language. One possibility for expressing non-local control flow is to use an intermediate language that exhibits explicit consumers. A well-studied example are intermediate representations in continuation-passing style (CPS). In continuation-passing style, the continuation, i.e., the rest of the computation, is explicitly available as a term in the language. Languages in continuation-passing style have long been established as an option for compiler intermediate languages. A different option that has received much less attention so far are languages based on sequent calculus. Sequent calculus is the sibling calculus of natural deduction, known from logic. While natural deduction has long been used as a basis for functional programming languages, through its correspondence with the lambda calculus by the Curry-Howard isomorphism, it took until relatively recently to find a satisfying term-assignment system for the classical sequent calculus. In contrast to natural deduction and lambda calculus, which are biased towards proofs corresponding to producers, classical sequent calculus and languages based on it treat proofs and refutations, which correspond to consumers, in a symmetric way. This makes such languages an interesting alternative to continuation-passing style for intermediate representations. In this thesis, we examine two different ways how explicit consumers can be used in the compilation of functional programming languages. First, we consider intermediate languages in continuation-passing style and translations into them. A question that naturally arises in this context is whether it is possible to translate from continuation-passing style back to direct style in which programs are usually written. This is not only of theoretical interest, but there is also a practical aspect. While continuation-passing style has many benefits for intermediate representations, it also comes with downsides compared to direct style. In particular, many platforms provide a call stack, which programs in continuation-passing style do not make use of. A suitable translation back to direct style could enable a compiler to reap the benefits of both styles. In the first part of this thesis, we thus present the design of a translation back to direct style having many properties that are important in the context of a compiler, laying the groundwork for making such a translation practically applicable. In the second part of this thesis, we go in the other direction, compiling down to machine code. However, instead of using continuation-passing style, we examine intermediate languages based on classical sequent calculus. We present a complete compilation pipeline, starting from a functional surface language with interesting features, and ending with the generation of machine code that can be executed on a real computer. We identify a normal form of our sequent-calculus-based intermediate representation that is suitable for a surprisingly direct way of code generation. The symmetric structure of languages based on classical sequent calculus makes them a promising target, also with regard to optimizations, and our pipeline forms the basis for future investigations.

2026-08-13T00:00:00Z Avakyan, Artur http://hdl.handle.net/10900/182177 2026-08-13T01:01:05Z 2026-08-12T00:00:00Z

Catcher in the Sky: Galactic X-ray Binaries in the Era of eROSITA and Beyond Avakyan, Artur Röntgendoppelsterne (Engl. Äquivalent: X-Ray Binaries, XRBs) sind die Endpunkte der stellaren Entwicklung massereicher Sterne, und stellen einzigartige Weltraumlabore für die Hochenergieastrophysik dar. Forschungsarbeiten zu XRBs können sowohl umfan- greiche Studien der XRB-Population, als auch Analysen einzelner Doppelsternsysteme umfassen. Populationsstudien von XRBs sind der Schlüssel zum Verständnis der En- twicklung massereicher Sterne und der Eigenschaften der Host-Galaxie. Zudem können sie auch Licht auf die physikalischen Prozesse werfen, welche in engen Doppelsternsyste- men ablaufen. Beobachtungsanalysen und theoretische Modellierungen wiederum bieten die Möglichkeit, das Verhalten spezifischer Systeme zu verfolgen, spezifische Mechanis- men zu erforschen und grundlegende Fragen der modernen Hochenergieastrophysik zu beantworten. In Bevölkerungsstudien besteht eine der Hauptaufgaben darin, eine repräsentative Stichprobe zu bilden, d.h. in unserem Fall, einen wesentlichen Teil aller XRBs zu beobachten und zu identifizieren. Im Rahmen dieser Studie umfasst dies zwei Aufgaben: 1) sorgfältige Sammlung der Informationen über alle entdeckten XRBs in unserer Galaxie; 2) Suche nach neuen (bisher unbekannten) galaktischen XRBs. Diese beiden Aufgaben stellen eine Reihe von Herausforderungen dar. Erstens waren zu Beginn dieser Arbeit die letzten Kataloge der galaktischen Rönt- gendoppelsternen mit geringen Massen (Engl. Äquivalent: Low-Mass X-Ray Binaries, LMXBs) und hohen Massen (Engl. Äquivalent: High-Mass X-Ray Binaries, HMXBs) stark veraltet (Liu et al., 2006, 2007, Ritter and Kolb, 2003). Seitdem wurden viele neue transiente und persistente Objekte entdeckt. In diesem Zusammenhang haben wir zwei neue Kataloge der galaktischen LMXBs und HMXBs zusammengestellt, die in den Pa- pieren I und II vorgestellt werden. Sie bieten eine aktuelle Bestandsaufnahme der bekan- nten XRBs in unserer Galaxie mit einer Vielzahl von Multi-WellenLängen (MWL) Infor- mationen (beste verfügbare Astromentrie, Zeitmessung, Photometrie und andere Daten), die aus aktuellen Röntgen-, optischen und IR-Durchmusterungen stammen. Unsere Kat- aloge enthalten zusammen mehr als 500 XRBs und haben damit ein um mehr als 70% größeres Volumen als die umfangreichsten Kataloge der Vergangenheit. Zweitens, wird die Suche nach neuen XRBs durch die Tatsache erschwert, dass die meisten von ihnen eine relativ geringe Röntgenleuchtkraft L x ≲ 10 34−35 erg/s (Doroshenko et al., 2014a, Grimm et al., 2002, Lutovinov et al., 2013, Mineo et al., 2011, Revnivt- sev et al., 2008, Voss and Ajello, 2010). Daher entgingen sie wahrscheinlich der Ent- deckung in aktuellen großräumigen Röntgendurchmusterungen mit mäßiger Empfind- lichkeit und/oder starker Absorption in der galaktischen Ebene (wo sich die meisten XRBs befinden). Die Situation begann sich jedoch dank der himmelsweiten Durch- musterung durch das Extended ROentgen Survey Imaging Telescope Array (eROSITA, Merloni et al., 2012, Predehl et al., 2021) zu ändern, dessen erste Datenveröffentlichung (eRASS DR1) Anfang 2024 erfolgte. Im Paper III haben wir eine Suche nach neuen galaktischen XRBs unter den eRASS DR1-Quellen durchgeführt und zwei Kataloge von galaktischen XRB-Kandidaten vorgestellt. Die Katalogtabellen enthalten Röntgeneigen- schaften von eRASS DR1 und Merkmale der identifizierten optischen/IR-Gegenstücke für insgesamt 192 XRB-Kandidaten. Die Auswahl der Gegenstücke und die endgültige MWL- Klassifizierung wurden beide mit überwachten Methoden des maschinellen Lernens als Teil eines einzigen Verfahrens durchgeführt, das speziell auf die Suche nach XRBs abgestimmt ist. Darauf aufbauend berichten wir in Paper IV über die Nachbeobachtungen von zwei XRB-Kandidaten (1eRASS J061330.8+160440 und 1eRASS J161201.9-464622) Die mit der X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton, Jansen et al., 2001). XRB-Kandidaten wurden auf der Grundlage der vorläufigen Analyse der ersten eROSITA-Röntgendurchmusterung (eRASS1) als solche ausgewählt. Mit XMM-Newton- Beobachtungen wurden die Röntgenpositionen verfeinert und entsprechende optische/IR- Gegenstücke identifiziert. Basierend auf der detaillierten Spektral-, Zeit- und MWL- Analyse, die in dieser Arbeit durchgeführt wurde, kommen wir zu dem Schluss, dass beide unserer Kandidaten wahrscheinlich keine XRBs sind. 1eRASS J061330.8+160440 wurde als chromosphärisch aktiver Unterriese vom M-Typ mit ausgeprägter H alpha -Emission und einer optischen Periodizität von 7,189 Tagen identifiziert, die wahrscheinlich auf Stern- flecken zurückzuführen ist. Andererseits wurde 1eRASS J161201.9-464622 als das zweite von eROSITA entdeckte nichtmagnetische novaartige kataklysmische Veränderliche mit einer vorläufigen Umlaufperiode von 4,832 Stunden bestimmt. Wir betonen, dass die Auswahl dieser Kandidaten hauptsächlich auf den relativ hohen Röntgenfluss in eRASS1 zurückzuführen ist (der auf der Grundlage der damals verfügbaren vorläufigen eROSITA- Verarbeitungspipeline (c946) überschätzt wurde). Mit anderen Worten: Obwohl wir bere- its gezeigt haben, dass eROSITA in der Lage ist, neue XRBs zu identifizieren, gibt es noch Raum für eine Verbesserung der Genauigkeit. Was die Analyse einzelner Quellen betrifft, so untersuchen wir in Paper V die viskose Entwicklung einer Akkretionsscheibe in Gegenwart des thermischen Windes, der von ihrer Oberfläche ausgeht. Aus diesen Gründen wurde eine numerische Methode entwickelt und als Teil des von uns geschriebenen öffentlichen Codes freddi (Avakyan et al., 2019, 2021, Lipunova and Malanchev, 2017, Lipunova et al., 2022) implementiert, die die 1-D Evo- lutionsgleichung der Shakura-Sunyaev (Shakura and Sunyaev, 1973) Akkretionsscheibe löst. Unter Verwendung des implementierten thermischen Windmodells von Woods et al. (1996) haben wir die Entwicklung des LMXB 4U 1543−47-Ausbruchs von 2002 simuliert und angepasst. Die Anpassung erfolgte auf der Grundlage der archivierten Beobachtun- gen des Rossi X-ray Timing Explorer Observatoriums (RXTE, Jahoda et al., 1996). Es wurde festgestellt, dass der Beobachtungswert des turbulenten Viskositätsparameters α für den betreffenden Ausbruch um etwa den Faktor 1,6 überschätzt wird, wenn der ther- mische Wind ignoriert wird. Es wurde auch festgestellt, dass der V -Band-Fluss zwar mit unserem Modell erklärt werden konnte, es jedoch nicht vollständig mit dem J-Band- Fluss übereinstimmt. Dies könnte ein Zeichen für das Vorhandensein einer von uns nicht berücksichtigten Quelle zusätzlicher optischer/IR-Strahlung sein, möglicherweise ein Jet. Abschließend kommen wir zu dem Schluss, dass die Modellierungen und Beobachtungen für das Vorhandensein des Akkretions-Scheibenausflusses sprechen, der thermische Wind jedoch die Entwicklung der Ausbrüche nicht vollständig erklären kann. Letztendlich bietet diese Dissertation eine breit angelegte Studie in den Bereichen Population, Beobachtung, Theorie, Simulation und Archivanalyse von XRBs in unserer Galaxie, die eine breite Grundlage für zukünftige Arbeiten in verschiedenen Bereichen der Hochenergie-Astrophysik bietet.; X-ray binaries (XRBs), being the endpoints of the stellar evolution of massive stars, represent unique space laboratories for high-energy astrophysics. XRB research can in- clude both extensive studies of their population as a whole, and in-depth analysis of individual binary systems. Population studies of XRBs play key role in understanding both the evolution of massive stars and the properties of the host galaxy, showing how high-energy physical processes appear on a large scale. Observational analysis and theo- retical modellings of individual systems, in turn, while tracking the behaviour of specific XRBs, provide an opportunity to dig deep into specific mechanisms, and answer funda- mental questions of modern astrophysics. One of the main goals of population studies is to form a representative sample, i.e. to detect and identify a substantial fraction of existing sources, XRBs in our case. This includes two tasks: 1) careful collection of the information regarding all discovered XRBs in our Galaxy; 2) search for new (previously unknown) Galactic XRBs. Both of these tasks present a number of challenges. First of all, existing archives of known XRBs might be incomplete. At the time this work has started, the latest catalogues of Galactic low-mass (LMXBs) and high-mass (HMXBs) X-ray binaries, were vastly outdated (Liu et al., 2006, 2007, Ritter and Kolb, 2003). Since their latest updates, many new transient and persistent objects have been discovered. In this context, we have compiled two new catalogues of the Galactic LMXBs and HMXBs, as presented in the Papers I and II, respectively. They provide an up-to- date census of known XRBs in our Galaxy along with various multiwavelength (MWL) information (best astromentry available, timing, photometry and other data) extracted from current X-ray/optical and infrared (IR) surveys. Our catalogues together contain more than 500 XRBs, which represents ≈ 70% increase in volume with respect to the most extensive catalogues of the past. Secondly, the search for new XRBs is complicated by the fact that the majority of them are expected to have relatively low X-ray luminosities L x ≲ 10 34−35 erg/s (Doroshenko et al., 2014a, Grimm et al., 2002, Lutovinov et al., 2013, Mineo et al., 2011, Revnivtsev et al., 2008, Voss and Ajello, 2010). Thus, they likely escaped detection in current wide- area X-ray surveys with moderate sensitivity and/or strong absorption in the Galactic plane (where most XRBs are located). The situation, however, began to change thanks to the all-sky survey performed by the extended ROentgen Survey Imaging Telescope Array (eROSITA, Merloni et al., 2012, Predehl et al., 2021), which had it’s first data release (eRASS DR1) in the beginning of 2024. In the Paper III we conducted a search for new Galactic XRBs among eRASS DR1 sources and presented two catalogues of Galactic XRB candidates. Catalogue tables include X-ray properties from eRASS DR1 and char- acteristics of the identified optical/IR counterparts for 192 XRB candidates in total. The selection of the counterparts and final MWL classification were both accomplished using supervised machine-learning methods as part of a single procedure tuned specifically to XRBs search. Building upon that work, in the Paper IV we report on the follow-up observations of two XRB candidates (1eRASS J061330.8+160440 and 1eRASS J161201.9-464622) with X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton, Jansen et al., 2001). The XRB candidates were selected for follow-up based on the preliminary analysis of the first eROSITA X-ray survey (eRASS1). With XMM-Newton observations the X-ray positions were refined, cor- responding optical/IR counterparts were identified. Based on the detailed spectral, timing and MWL analysis conducted in the work, we concluded that both of our candidates are unlikely to be XRBs. 1eRASS J061330.8+160440 is found to be an M-type chromospher- ically active subgiant with rich H alpha emission and optical periodicity of 7.189 days likely attributed to starspot(s). On the other hand, 1eRASS J161201.9-464622 is defined as a second eROSITA-discovered nonmagnetic novalike cataclysmic variable with a tentative orbital period of 4.832 h. We emphasise, that now clarified to be erroneous selection of these candidates was mainly due to the relatively high X-ray flux in eRASS1 (derived based on preliminary eROSITA processing pipeline (c946) available at the time, not a part of the public release). In other words, while we have already demonstrated the ability of eROSITA to identify new XRBs, there is room for improving the accuracy. Regarding the observational and theoretical analysis of individual sources, in the Paper V we study the viscous evolution of an accretion disc in the presence of the thermal wind occurring from its surface. A numerical method was developed and implemented as a part of the open code freddi written by us (Avakyan et al., 2019, 2021, Lipunova and Malanchev, 2017, Lipunova et al., 2022), which solves 1-D evolution equation of Shakura- Sunyaev (Shakura and Sunyaev, 1973) accretion disc. Using the implemented thermal wind model from Woods et al. (1996), we have simulated and fitted the evolution of the LMXB 4U 1543−47 outburst of 2002. Model was applied to the analysis of the archival observations made by Rossi X-ray Timing Explorer observatory (RXTE, Jahoda et al., 1996). It was found, that if the thermal wind is ignored, the observational value of the turbulent viscosity parameter α for the particular outburst is overestimated by about a factor of 1.6. In was also found that while V band flux could be explained within our model, it still cannot fully match for J band flux. This may be a sign of the presence of some, yet unaccounted, source of additional optical/IR radiation, possibly a jet. Finally, we conclude that the modellings and observations are in favour of the disc outflow’s presence, however thermal wind cannot fully explain the evolution of the outbursts. Ultimately, this dissertation provides a wide study in areas of population, observa- tional, theoretical, simulation and archival analysis of XRBs in our Galaxy, giving a large basis for future works in different parts of high-energy astrophysics science.

2026-08-12T00:00:00Z