TY  - THES
A1  - Zajnulina, Marina
T1  - Optical frequency comb generation in optical fibres
T1  - Generierung von optischen Frequenzkämmen in optischen Fasern
N2  - Optical frequency combs (OFC) constitute an array of phase-correlated equidistant spectral lines with nearly equal intensities over a broad spectral range. The adaptations of combs generated in mode-locked lasers proved to be highly efficient for the calibration of high-resolution (resolving power > 50000) astronomical spectrographs. The observation of different galaxy structures or the studies of the Milky Way are done using instruments in the low- and medium resolution range. To such instruments belong, for instance, the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) being developed for the Very Large Telescope (VLT) of the European Southern Observatory (ESO) and the 4-metre Multi-Object Spectroscopic Telescope (4MOST) being in development for the ESO VISTA 4.1 m Telescope. The existing adaptations of OFC from mode-locked lasers are not resolvable by these instruments.
Within this work, a fibre-based approach for generation of OFC specifically in the low- and medium resolution range is studied numerically. This approach consists of three optical fibres that are fed by two equally intense continuous-wave (CW) lasers. The first fibre is a conventional single-mode fibre, the second one is a suitably pumped amplifying Erbium-doped fibre with anomalous dispersion, and the third one is a low-dispersion highly nonlinear optical fibre. The evolution of a frequency comb in this system is governed by the following processes: as the two initial CW-laser waves with different frequencies propagate through the first fibre, they generate an initial comb via a cascade of four-wave mixing processes. The frequency components of the comb are phase-correlated with the original laser lines and have a frequency spacing that is equal to the initial laser frequency separation (LFS), i.e. the difference in the laser frequencies. In the time domain, a train of pre-compressed pulses with widths of a few pico-seconds arises out of the initial bichromatic deeply-modulated cosine-wave. These pulses undergo strong compression in the subsequent amplifying Erbium-doped fibre: sub-100 fs pulses with broad OFC spectra are formed. In the following low-dispersion highly nonlinear fibre, the OFC experience a further broadening and the intensity of the comb lines are fairly equalised. This approach was mathematically modelled by means of a Generalised Nonlinear Schrödinger Equation (GNLS) that contains terms describing the nonlinear optical Kerr effect, the delayed Raman response, the pulse self-steepening, and the linear optical losses as well as the wavelength-dependent Erbium gain profile for the second fibre. The initial condition equation being a deeply-modulated cosine-wave mimics the radiation of the two initial CW lasers. The numerical studies are performed with the help of Matlab scripts that were specifically developed for the integration of the GNLS and the initial condition according to the proposed approach for the OFC generation. The scripts are based on the Fourth-Order Runge-Kutta in the Interaction Picture Method (RK4IP) in combination with the local error method.
This work includes the studies and results on the length optimisation of the first and the second fibre depending on different values of the group-velocity dispersion of the first fibre. Such length optimisation studies are necessary because the OFC have the biggest possible broadband and exhibit a low level of noise exactly at the optimum lengths. Further, the optical pulse build-up in the first and the second fibre was studied by means of the numerical technique called Soliton Radiation Beat Analysis (SRBA). It was shown that a common soliton crystal state is formed in the first fibre for low laser input powers. The soliton crystal continuously dissolves into separated optical solitons as the input power increases. The pulse formation in the second fibre is critically dependent on the features of the pulses formed in the first fibre. I showed that, for low input powers, an adiabatic soliton compression delivering low-noise OFC occurs in the second fibre.  At high input powers, the pulses in the first fibre have more complicated structures which leads to the pulse break-up in the second fibre with a subsequent degradation of the OFC noise performance. The pulse intensity noise studies that were performed within the framework of this thesis allow making statements about the noise performance of an OFC. They showed that the intensity noise of the whole system decreases with the increasing value of LFS.
N2  - Optische Frequenzkämme (OFK) stellen ein diskretes optisches Spektrum mit phasenkorrelierten Linien dar, die gleichen spektralen Abstand voneinander haben und fast gleiche Intensität über einen größeren Spektralbereich aufweisen. In modengelockten Lasern generierte Kämme haben sich als höchst effizient für die Kalibrierung von hochauflösenden (Auflösungsvermögen > 50000) astronomischen Spektrografen erwiesen. Die astronomische Beobachtung von verschiedenen Galaxie-Strukturen oder die Studien der Milchstraße werden jedoch mit Hilfe von nieder- bis mittelauflösenden Instrumenten gemacht. Zu solchen Instrumenten gehören zum Beispiel der Multi-Spectroscopic-Exproler (MUSE), der gerade für das Very-Large-Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) entwickelt wird, und das 4-metre-Multi-Object-Spectroscopic-Telescope (4MOST), das sich in der Entwicklung für das ESO-VISTA-4,1m-Teleskop befindet. Die existierenden Anpassungen von OFK von modengelockten Lasern sind für solche Instrumente nicht auflösbar.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein faserbasierter Ansatz für die Generierung von OFK für den Bereich der nieder- bis mittelauflösenden Instrumente numerisch studiert. Die experimentelle Umsetzung dieses Ansatzes besteht aus drei optischen Fasern, in die das Strahlungsfeld von zwei Dauerstrichlasern mit gleicher Intensität eingespeist wird. Die erste Faser ist eine konventionelle Monomodefaser, die zweite ist eine Erbium-dotierte Verstärkerfaser mit negativer Dispersion, die dritte ist eine hoch nichtlineare Faser mit niedriger Dispersion. Die Entwicklung eines OFKs in diesem System geschieht auf folgende Art und Weise: als die Laserwellen mit verschiedenen Frequenzen sich durch die erste Faser ausbreiten, erzeugen sie einen Anfangskamm durch einen Kaskadenprozess der Vier-Wellen-Mischung (VWM). Die neu entstandenen Frequenzkomponenten des Kamms sind frequenzkorreliert und haben einen spektralen Abstand, der der Laserfrequenzseparation (LFS) gleicht. Dies entspricht dem Entstehen von einem Zug von prä-komprimierten optischen Impulsen mit Impulsbreiten von einigen Pikosekunden. Diese Impulse werden strakt komprimiert in der nachfolgenden Erbium-dotierten Faser: es entstehen Sub-100-Femtosekunden-Impulse mit breiten OFK-Spektren. In der anschließenden hochnichtlinearen Faser wird das Kamm-Spektrum weiter verbreitet, während seine Frequenzlinien in ihren Intensitäten ausgeglichen werden. Dieser Ansatz wurde mathematisch mit Hilfe einer Verallgemeinerten Nichtlinearen Schrödinger Gleichung (VNSG) modelliert, die die Terme für den nichtlinearen optischen Kerr-Effekt, den Raman-Effekt, die Impuls-Selbstaufsteilung, die optischen Verluste und das wellenlängenabhängigen Erbium-Verstärkungsprofil für die zweite Faser enthält. Die Gleichung der Anfangsbedingung von der Form einer bichromatischen tief durchmodulierten Kosinus-Welle repräsentiert das Strahlungsfeld zweier Dauerstrichlaser. Die numerischen Studien sind mit Hilfe von Matlab-Skripten durchgeführt, die speziell für die numerische Integration der VNSG mit der bichromatischen Kosinus-Welle als Anfangsbedingung entworfen worden sind. Diese Skripte basieren auf dem numerischen Verfahren Fourth-Order Runge-Kutta in the Interaction Picture Method, das mit der Methode der Auswertung von lokalen numerischen Fehlern kombiniert wurde.
Diese Arbeit enthält die Studien und Resultate der Optimierung der Längen der ersten und der zweiten Faser in Abhängigkeit von der Gruppengeschwindigkeitsdispersion der ersten Faser. Solche Optimierungsstudien sind notwendig, da genau an solche optimierten Längen weisen die Frequenzkämme die größte Bandbreite auf sowie das niedrigste Rauschniveau. Des Weiteren wurde der Aufbau von optischen Impulsen in der ersten und der zweiten Faser des Ansatzes mittels der numerischen Technik Soliton Radiation Beat Analysis analysiert. Es wurde gezeigt, dass für niedrige Eingangsleistungen ein kollektiver Solitonenkristall in der ersten Faser generiert wird, der sich mit steigender Eingangsleistung in freie optische Solitonen auflöst. Was die zweite Faser betrifft, so wurde gezeigt, dass der Aufbau und Ausbreitung von optischen Impulsen in dieser Faser kritisch von den Eigenschaften der Impulse abhängt, die in der ersten Faser aufgebaut wurden. So findet adiabatische Solitonenkompression in der zweiten Faser statt, falls die Eingangsleistung niedrig ist und die Form der Impulse in der ersten Faser relativ einfach. Für höhere Eingangsleistungen ist der Aufbau und somit die Dynamik der Impulse in der ersten Faser komplizierter. Solche Impulse zerfallen dann in der zweiten Faser, was zum Erhöhen des Intensitätsrauschens führt.  Die Studien des Intensitätsrauschens der optischen Impulse, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, erlauben die Aussagen über das Rauschverhalten der OFK. Diese Studien haben gezeigt, dass das Intensitätsrauschen des Gesamtsystems (d.h. aller drei Fasern) mit steigender LFS nachlässt.
KW  - optical frequency combs
KW  - spectrograph calibration
KW  - generalised nonlinear Schrödinger equation
KW  - four-wave mixing
KW  - optical solitons
KW  - optische Frequenzkämme
KW  - Kalibrierung von Spektrografen
KW  - verallgemeinerte nichlineare Schrödinger Gleichung
KW  - Vier-Wellen-Mischung
KW  - optische Solitonen
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-88776
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zajnulina, Marina
A1  - Böhm, Michael
A1  - Blow, K.
A1  - Rieznik, A. A.
A1  - Giannone, Domenico
A1  - Haynes, Roger
A1  - Roth, Martin M.
T1  - Soliton radiation beat analysis of optical pulses generated from two continuous-wave lasers
JF  - Chaos : an interdisciplinary journal of nonlinear science
N2  - We propose a fibre-based approach for generation of optical frequency combs (OFCs) with the aim of calibration of astronomical spectrographs in the low and medium-resolution range. This approach includes two steps: in the first step, an appropriate state of optical pulses is generated and subsequently moulded in the second step delivering the desired OFC. More precisely, the first step is realised by injection of two continuous-wave (CW) lasers into a conventional single-mode fibre, whereas the second step generates a broad OFC by using the optical solitons generated in step one as initial condition. We investigate the conversion of a bichromatic input wave produced by two initial CW lasers into a train of optical solitons, which happens in the fibre used as step one. Especially, we are interested in the soliton content of the pulses created in this fibre. For that, we study different initial conditions (a single cosine-hump, an Akhmediev breather, and a deeply modulated bichromatic wave) by means of soliton radiation beat analysis and compare the results to draw conclusion about the soliton content of the state generated in the first step. In case of a deeply modulated bichromatic wave, we observed the formation of a collective soliton crystal for low input powers and the appearance of separated solitons for high input powers. An intermediate state showing the features of both, the soliton crystal and the separated solitons, turned out to be most suitable for the generation of OFC for the purpose of calibration of astronomical spectrographs.
Y1  - 2015
U6  - https://doi.org/10.1063/1.4930316
SN  - 1054-1500
SN  - 1089-7682
VL  - 25
IS  - 10
PB  - American Institute of Physics
CY  - Melville
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Richter, Philipp
A1  - de Boer, Klaas S.
A1  - Werner, Klaus
A1  - Rauch, Thomas
T1  - High-velocity gas toward the LMC resides in the Milky Way halo
JF  - Astronomy and astrophysics : an international weekly journal
N2  - Aims. To explore the origin of high-velocity gas in the direction of the Large Magellanic Cloud, (LMC) we analyze absorption lines in the ultraviolet spectrum of a Galactic halo star that is located in front of the LMC at d = 9.2(-7.2)(+4.1) kpc distance.
 Methods. We study the velocity-component structure of low and intermediate metal ions (CII, SiII, SiIII) in the spectrum of RXJ0439.8-6809, as obtained with the Cosmic Origins Spectrograph (COS) onboard the Hubble Space Telescope (HST), and measure equivalent widths and column densities for these ions. We supplement our COS data with a Far-Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE) spectrum of the nearby LMC star Sk-69 59 and with Hi 21 cm data from the Leiden-Argentina-Bonn (LAB) survey.
 Results. Metal absorption toward RXJ0439.8-6809 is unambiguously detected in three different velocity components near v(LSR) = 0, + 60, and + 150 km s(-1). The presence of absorption proves that all three gas components are situated in front of the star, thus located in the disk and inner halo of the Milky Way. For the high-velocity cloud (HVC) at v(LSR) = + 150 km s(-1), we derive an oxygen abundance of [O/H] = -0.63 (similar to 0.2 solar) from the neighboring Sk-69 59 sight line, in accordance with previous abundance measurements for this HVC. From the observed kinematics we infer that the HVC hardly participates in the Galactic rotation.
 Conclusions. Our study shows that the HVC toward the LMC represents a Milky Way halo cloud that traces low column density gas with relatively low metallicity. We rule out scenarios in which the HVC represents material close to the LMC that stems from a LMC outflow.
KW  - Galaxy: halo
KW  - Galaxy: evolution
KW  - ISM: abundances
KW  - ISM: structure
Y1  - 2015
U6  - https://doi.org/10.1051/0004-6361/201527451
SN  - 1432-0746
VL  - 584
PB  - EDP Sciences
CY  - Les Ulis
ER  - 
TY  - THES
A1  - Prokhorov, Boris E.
T1  - High-latitude coupling processes between thermospheric circulation and solar wind driven magnetospheric currents and plasma convection
T1  - Kopplungsprozesse zwischen der thermosphärischen Zirkulation in hohen Breiten und den vom Sonnenwind getriebenen magnetosphärischen Strömen und der Plasmakonvektion
N2  - The high-latitudinal thermospheric processes driven by the solar wind and Interplanetary Magnetic Field (IMF) interaction with the Earth magnetosphere are highly variable parts of the complex dynamic plasma environment, which represent the coupled Magnetosphere – Ionosphere – Thermosphere (MIT) system. The solar wind and IMF interactions transfer energy to the MIT system via reconnection processes at the magnetopause. The Field Aligned Currents (FACs) constitute the energetic links between the magnetosphere and the Earth ionosphere. The MIT system depends on the highly variable solar wind conditions, in particular on changes of the strength and orientation of the IMF. 
In my thesis, I perform an investigation on the physical background of the complex MIT system using the global physical - numerical, three-dimensional, time-dependent and self-consistent Upper Atmosphere Model (UAM). This model describes the thermosphere, ionosphere, plasmasphere and inner magnetosphere as well as the electrodynamics of the coupled MIT system for the altitudinal range from 80 (60) km up to the 15 Earth radii.
In the present study, I developed and investigated several variants of the high-latitudinal electrodynamic coupling by including the IMF dependence of FACs into the UAM model. For testing, the various variants were applied to simulations of the coupled MIT system for different seasons, geomagnetic activities, various solar wind and IMF conditions. Additionally, these variants of the theoretical model with the IMF dependence were compared with global empirical models. The modelling results for the most important thermospheric parameters like neutral wind and mass density were compared with satellite measurements. The variants of the UAM model with IMF dependence show a good agreement with the satellite observations. In comparison with the empirical models, the improved variants of the UAM model reproduce a more realistic meso-scale structures and dynamics of the coupled MIT system than the empirical models, in particular at high latitudes. The new configurations of the UAM model with IMF dependence contribute to the improvement of space weather prediction.
N2  - Die thermosphärischen Prozesse in  hohen Breiten, die durch die Wechselwirkung des Sonnenwinds und des Interplanetaren Magnetfeldes (IMF) mit der Erdmagnetosphäre getrieben werden, stellen sich als stark veränderliches Geschehen in der komplexen dynamischen Plasmaumgebung der Erde dar, die das gekoppelte System der Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre (MIT) umfaßt. Die Einflüsse des Sonnenwindes und des IMF zeigen sich als Energieübertragung in das MIT System mittels Rekonnektionsprozessen an der Magnetopause. Feldliniengerichtete Ströme (FACs) repräsentieren die energetische Kopplung zwischen der Magnetosphäre und der Ionosphäre der Erde. Das MIT System wird bestimmt durch die stark veränderlichen Sonnenwindbedingungen, insbesondere von der Stärke und Richtung des IMF.
In meiner Promotionsschrift untersuche ich die physikalischen Bedingungen des komplexen MIT System mit Hilfe eines globalen physikalisch-numerischen, dreidimensionalen, zeitabhängigen und selbstkonsistenten Modells, dem Upper Atmosphere Model (UAM). Das UAM beschreibt das Verhalten der Thermosphäre, Ionosphäre, Plasmasphäre und der inneren Magnetosphäre in einem Höhenbereich zwischen 80 (60) km und 15 Erdradien sowie die elektrodynamische Verkopplung des gesamten MIT Systems. 
In der vorliegenden Arbeit habe ich mehrere Varianten der elektrodynamischen Kopplung in hohen Breiten entwickelt und analysiert, die die FACs innerhalb des UAM in ihrer Abhängigkeit vom IMF darstellen. Für Testzwecke wurden diese Varianten auf eine Reihe von numerischen Simulationen des gekoppelten MIT Systems unter verschiedenen Bedingungen hinsichtlich Jahreszeit, geomagnetischer Aktivität, Sonnenwind- und IMF-Parametern angewandt. Darüberhinaus wurden diese Varianten des IMF-abhängigen theoretischen Modells entsprechenden globalen empirischen Modellen gegenübergestellt. Modellergebnisse wurden außerdem mit einigen wichtigen von Satelliten gemessenen Thermosphärenparametern, wie dem Neutralwind und der Massendichte verglichen. Die UAM Modelvarianten mit IMF-Abhängigkeit zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Satellitenbeobachtungen. Im Vergleich mit empirischen Modellaussagen geben die UAM Modellvarianten ein genaueres Bild der mesoskaligen Strukturen und der Dynamik des gekoppelten MIT Systems wieder, insbesondere für die hohen Breiten. Die neuen UAM Konfigurationen mit IMF-Abhängigkeit tragen damit zu verbesserten Möglichkeiten in der Weltraumwettervorhersage bei.
KW  - upper atmosphere model
KW  - high-latitudinal thermosphere
KW  - magnetosphere-ionosphere-thermosphere coupling
KW  - solar wind and interplanetary magnetic field influence
KW  - field aligned currents
KW  - Upper Atmosphere Model (UAM)
KW  - Thermosphäre hoher Breiten
KW  - Kopplung zwischen Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre
KW  - Einfluß des Sonnenwindes und des interplanetaren magnetischen Feldes
KW  - feldlinengerichtete Ströme
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-92353
ER  - 
TY  - THES
A1  - Feldmann, Johannes
T1  - Stability of the West Antarctic Ice Sheet
BT  - From the concept of  similitude to dynamic modeling
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Matuschek, Hannes
T1  - Applications of reproducing Kernel Hilbert spaces and their approximations
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Metzler, Ralf
A1  - Bauer, Maximilian
A1  - Rasmussen, Emil S.
A1  - Lomholt, Michael A.
T1  - Real sequence effects on the search dynamics of transcription factors on DNA
JF  - Scientific Reports
N2  - Recent experiments show that transcription factors (TFs) indeed use the facilitated diffusion mechanism to locate their target sequences on DNA in living bacteria cells: TFs alternate between sliding motion along DNA and relocation events through the cytoplasm. From simulations and theoretical analysis we study the TF-sliding motion for a large section of the DNA-sequence of a common E. coli strain, based on the two-state TF-model with a fast-sliding search state and a recognition state enabling target detection. For the probability to detect the target before dissociating from DNA the TF-search times self-consistently depend heavily on whether or not an auxiliary operator (an accessible sequence similar to the main operator) is present in the genome section. Importantly, within our model the extent to which the interconversion rates between search and recognition states depend on the underlying nucleotide sequence is varied. A moderate dependence maximises the capability to distinguish between the main operator and similar sequences. Moreover, these auxiliary operators serve as starting points for DNA looping with the main operator, yielding a spectrum of target detection times spanning several orders of magnitude. Auxiliary operators are shown to act as funnels facilitating target detection by TFs.
KW  - gene regulatory networks
KW  - biological physics
Y1  - 2015
U6  - https://doi.org/10.1038/srep10072
SN  - 2045-2322
VL  - 5
IS  - 10072
PB  - Nature Publishing Group
CY  - London
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mengel, Matthias
T1  - Forcing Earth’s sea level
BT  - instabilities and linear responses
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hainich, Rainer
T1  - The Wolf-Rayet stars of the nitrogen sequence in environments of different metallicities
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hildebrandt, Dominik
T1  - The HI Lyman-alpha opacity at redshift  2.7 < z < 3.6
T1  - Die HI-Lyman-α-Opazität im Rotverschiebungsbereich  2.7 < z < 3.6
N2  - Most of the baryonic matter in the Universe resides in a diffuse gaseous phase in-between galaxies consisting mostly of hydrogen and helium. This intergalactic medium (IGM) is distributed in large-scale filaments as part of the overall cosmic web. The luminous extragalactic objects that we can observe today, such as galaxies and quasars, are surrounded by the IGM in the most dense regions within the cosmic web. The radiation of these objects contributes to the so-called ultraviolet background (UVB) which keeps the IGM highly ionized ever since the epoch of reionization.
Measuring the amount of absorption due to intergalactic neutral hydrogen (HI) against extragalactic background sources is a very useful tool to constrain the energy input of ionizing sources into the IGM. Observations suggest that the HI Lyman-alpha effective optical depth, τ_eff, decreases with decreasing redshift, which is primarily due to the expansion of the Universe. However, some studies find a smaller value of the effective optical depth than expected at the specific redshift z~3.2, possibly related to the complete reionization of helium in the IGM and a hardening of the UVB. The detection and possible cause of a decrease in τ_eff at z~3.2 is controversially debated in the literature and the observed features need further explanation.
To better understand the properties of the mean absorption at high redshift and to provide an answer for whether the detection of a τ_eff feature is real we study 13 high-resolution, high signal-to-noise ratio quasar spectra observed with the Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES) at the Very Large Telescope (VLT). The redshift evolution of the effective optical depth, τ_eff(z), is measured in the redshift range 2.7≤z≤3.6. The influence of metal absorption features is removed by performing a comprehensive absorption-line-fitting procedure.
In the first part of the thesis, a line-parameter analysis of the column density, N, and Doppler parameter, b, of ≈7500 individually fitted absorption lines is performed. The results are in good agreement with findings from previous surveys.
The second (main) part of this thesis deals with the analysis of the redshift evolution of the effective optical depth. The τ_eff measurements vary around the empirical power law τ_eff(z)~(1+z)^(γ+1) with γ=2.09±0.52. The same analysis as for the observed spectra is performed on synthetic absorption spectra. From a comparison between observed and synthetic spectral data it can be inferred that the uncertainties of the τ_eff values are likely underestimated and that the scatter is probably caused by high-column-density absorbers with column densities in the range 15≤logN≤17. In the real Universe, such absorbers are rarely observed, however. Hence, the difference in τ_eff from different observational data sets and absorption studies is most likely caused by cosmic variance. If, alternatively, the disagreement between such data is a result of an too optimistic estimate of the (systematic) errors, it is also possible that all τ_eff measurements agree with a smooth evolution within the investigated redshift range. To explore in detail the different analysis techniques of previous studies an extensive literature comparison to the results of this work is presented in this thesis.
Although a final explanation for the occurrence of the τ_eff deviation in different studies at z~3.2 cannot be given here, our study, which represents the most detailed line-fitting analysis of its kind performed at the investigated redshifts so far, represents another important benchmark for the characterization of the HI Ly-alpha effective optical depth at high redshift and its indicated unusual behavior at z~3.2.
N2  - Der Großteil der baryonischen Materie des Universums, die im Wesentlichen aus Wasserstoff und Helium besteht, befindet sich in Form von diffusem Gas zwischen den Galaxien. Dieses intergalaktische Medium (IGM) bildet großräumige Strukturen aus, dessen Filamente als "kosmisches Netz" bezeichnet werden. Die leuchtkräftigen extragalaktischen Objekte, die man heutzutage beobachten kann (z.B. Galaxien und Quasare), sind von diesem IGM umgeben und befinden sich in den dichtesten Regionen innerhalb des kosmischen Netzes. Die von diesen Objekten ausgehende ultraviolette (UV) Strahlung ist Bestandteil des UV-Strahlungshintergrunds, der seit der Reionisationsphase den hochionisierten Zustand des IGM aufrecht hält.
Eine Auswertung des absorbierten Strahlungsanteils durch den noch im IGM vorhandenen neutralen Wasserstoff (HI) entlang der Sichtlinie zu einer beobachteten extragalaktischen Hintergrundquelle lässt auf den Energieeintrag der Strahlungsquellen ins IGM schließen. Aus geeigneten Messdaten lässt sich schlussfolgern, dass sich die effektive optische Tiefe von HI (Ly-alpha Übergang) mit abnehmender Rotverschiebung verringert, was im Wesentlichen auf die Expansion des Universums zurückzuführen ist. Einige Arbeiten finden jedoch bei der ausgewiesenen Rotverschiebung z~3.2 einen kleineren Wert für die effektive optische Tiefe als erwartet, ein Trend der möglicherweise mit der vollständigen Reionisation von Helium im IGM und einem Anstieg der Intensität des UV-Hintergrunds in Verbindung steht. Die Detektion und mögliche Ursache einer Abnahme der effektiven optischen Tiefe bei z~3.2 ist in der Literatur kontrovers diskutiert und die beobachteten Besonderheiten machen eine weitere Untersuchung erforderlich.
Um die Eigenschaften der mittleren Absorption bei hoher Rotverschiebung besser zu verstehen und um einen Lösungsansatz für die Debatte zu liefern, untersuchen wir 13 hoch aufgelöste Quasarabsorptionsspektren mit einem hohen Signal-zu-Rauschen Verhältnis, die mit dem Instrument UVES des Very Large Telescope (VLT) aufgenommen wurden. Die Entwicklung der effektiven optischen Tiefe wird im Rotverschiebungsbereich 2.7≤z≤3.6 gemessen. Die Messung wird um den Beitrag von Metallen durch die detaillierte Anpassung von Linienprofilen an die beobachtete Absorption korrigiert.
Im ersten Teil der Arbeit wird eine Auswertung der Parameter der ≈7500 einzeln angepassten Absorptionslinien (Säulendichte N und Doppler-Parameter b) vorgenommen. Die entsprechenden Ergebnisse stimmen im Rahmen der Messunsicherheiten mit Literaturwerten überein.
Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung der effektiven optischen Tiefe in Abhängigkeit von der Rotverschiebung τ_eff(z). Es stellt sich heraus, dass die τ_eff-Messwerte um ein empirisches Potengesetz der Form τ_eff(z)~(1+z)^(γ+1) mit γ=2.09±0.52 streuen. Die gleiche Auswertung wie für die Beobachtungsdaten wird für synthetische Spektren durchgeführt. Ein Vergleich dieser Daten legt nahe, dass die Größe der Unsicherheiten der τ_eff-Messwerte wahrscheinlich unterschätzt wird und dass die Streuung der Datenpunkte auf Absorber hoher Säulendichte (15≤logN≤17) zurückzuführen ist. Solche Absorber sind im beobachtbaren Universum jedoch selten, sodass der Unterschied in den τ_eff-Messwerten bei verschiedenen Zusammenstellungen von Beobachtungsdaten und Studien zum Absorptionsverhalten höchstwahrscheinlich durch kosmische Varianz bedingt ist. Sollte jedoch die fehlende Übereinstimmung dieser Daten eine Folge zu optimistischer (systematischer) Fehlerabschätzungen sein, so ist es ebenfalls denkbar, dass die τ_eff-Messwerte mit einer gleichmäßigen Entwicklung über den untersuchten Rotverschiebungsbereich hinweg konsistent sind. Um die wesentlichen Unterschiede in den Untersuchungsmethoden vorheriger Studien zu untersuchen, wird in dieser Arbeit ein umfassender Vergleich der Ergebnisse dieser Arbeit mit entsprechender Literatur vorgenommen.
Eine endgültige Erklärung für das Auftreten einer Abweichung in τ_eff(z) vom empirischen Potenzgesetz, wie sie von einigen Studien bei z~3.2 gefunden wurde, kann in dieser Arbeit zwar nicht gegeben werden, dennoch stellt sie die bislang umfassendste Parameterbestimmung von Absorptionslinien ihrer Art im untersuchten Rotverschiebungsbereich dar. Sie ist somit ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung des ganzheitlichen Verständnisses der effektiven optischen Tiefe bei hohen Rotverschiebungen und deren möglicherweise ungewöhnlichem Verlauf bei z~3.2.
KW  - intergalactic medium
KW  - cosmology: observations
KW  - methods: data analysis
KW  - methods: statistical
KW  - quasars: absorption lines
KW  - intergalaktisches Medium
KW  - Kosmologie: Beobachtungen
KW  - Methoden: Datenauswertung
KW  - Methoden: statistisch
KW  - Quasare: Absorptionslinien
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78355
ER  -