Detecting and understanding extragalactic Lyman α emission using 3D spectroscopy

Detektion und Interpretation extragalaktischer Lyman Alpha Emission mittels 3D Spektroskopie

  • In this thesis we use integral-field spectroscopy to detect and understand of Lyman α (Lyα) emission from high-redshift galaxies. Intrinsically the Lyα emission at λ = 1216 Å is the strongest recombination line from galaxies. It arises from the 2p → 1s transition in hydrogen. In star-forming galaxies the line is powered by ionisation of the interstellar gas by hot O- and B- stars. Galaxies with star-formation rates of 1 - 10 Msol/year are expected to have Lyα luminosities of 42 dex - 43 dex (erg/s), corresponding to fluxes ~ -17 dex - -18 dex (erg/s/cm²) at redshifts z~3, where Lyα is easily accessible with ground-based telescopes. However, star-forming galaxies do not show these expected Lyα fluxes. Primarily this is a consequence of the high-absorption cross-section of neutral hydrogen for Lyα photons σ ~ -14 dex (cm²). Therefore, in typical interstellar environments Lyα photons have to undergo a complex radiative transfer. The exact conditions under which Lyα photons can escape a galaxy are poorly understood. Here weIn this thesis we use integral-field spectroscopy to detect and understand of Lyman α (Lyα) emission from high-redshift galaxies. Intrinsically the Lyα emission at λ = 1216 Å is the strongest recombination line from galaxies. It arises from the 2p → 1s transition in hydrogen. In star-forming galaxies the line is powered by ionisation of the interstellar gas by hot O- and B- stars. Galaxies with star-formation rates of 1 - 10 Msol/year are expected to have Lyα luminosities of 42 dex - 43 dex (erg/s), corresponding to fluxes ~ -17 dex - -18 dex (erg/s/cm²) at redshifts z~3, where Lyα is easily accessible with ground-based telescopes. However, star-forming galaxies do not show these expected Lyα fluxes. Primarily this is a consequence of the high-absorption cross-section of neutral hydrogen for Lyα photons σ ~ -14 dex (cm²). Therefore, in typical interstellar environments Lyα photons have to undergo a complex radiative transfer. The exact conditions under which Lyα photons can escape a galaxy are poorly understood. Here we present results from three observational projects. In Chapter 2, we show integral field spectroscopic observations of 14 nearby star-forming galaxies in Balmer α radiation (Hα, λ = 6562.8 Å). These observations were obtained with the Potsdam Multi Aperture Spectrophotometer at the Calar-Alto 3.5m Telescope}. Hα directly traces the intrinsic Lyα radiation field. We present Hα velocity fields and velocity dispersion maps spatially registered onto Hubble Space Telescope Lyα and Hα images. From our observations, we conjecture a causal connection between spatially resolved Hα kinematics and Lyα photometry for individual galaxies. Statistically, we find that dispersion-dominated galaxies are more likely to emit Lyα photons than galaxies where ordered gas-motions dominate. This result indicates that turbulence in actively star-forming systems favours an escape of Lyα radiation. Not only massive stars can power Lyα radiation, but also non-thermal emission from an accreting super-massive black hole in the galaxy centre. If a galaxy harbours such an active galactic nucleus, the rate of hydrogen-ionising photons can be more than 1000 times higher than that of a typical star-forming galaxy. This radiation can potentially ionise large regions well outside the main stellar body of galaxies. Therefore, it is expected that the neutral hydrogen from these circum-galactic regions shines fluorescently in Lyα. Circum-galactic gas plays a crucial role in galaxy formation. It may act as a reservoir for fuelling star formation, and it is also subject to feedback processes that expel galactic material. If Lyα emission from this circum-galactic medium (CGM) was detected, these important processes could be studied in-situ around high-z galaxies. In Chapter 3, we show observations of five radio-quiet quasars with PMAS to search for possible extended CGM emission in the Lyα line. However, in four of the five objects, we find no significant traces of this emission. In the fifth object, there is evidence for a weak and spatially quite compact Lyα excess at several kpc outside the nucleus. The faintness of these structures is consistent with the idea that radio-quiet quasars typically reside in dark matter haloes of modest masses. While we were not able to detect Lyα CGM emission, our upper limits provide constraints for the new generation of IFS instruments at 8--10m class telescopes. The Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at ESOs Very Large Telescopeis such an unique instrument. One of the main motivating drivers in its construction was the use as a survey instrument for Lyα emitting galaxies at high-z. Currently, we are conducting such a survey that will cover a total area of ~100 square arcminutes with 1 hour exposures for each 1 square arcminute MUSE pointing. As a first result from this survey we present in Chapter 5 a catalogue of 831 emission-line selected galaxies from a 22.2 square arcminute region in the Chandra Deep Field South. In order to construct the catalogue, we developed and implemented a novel source detection algorithm -- LSDCat -- based on matched filtering for line emission in 3D spectroscopic datasets (Chapter 4). Our catalogue contains 237 Lyα emitting galaxies in the redshift range 3 ≲ z ≲ 6. Only four of those previously had spectroscopic redshifts in the literature. We conclude this thesis with an outlook on the construction of a Lyα luminosity function based on this unique sample (Chapter 6).show moreshow less
  • In der vorliegenden Doktorarbeit präsentieren wir Resultate aus drei integralfeldspektroskopischen Beobachtungskampagnen die mit der Intention Lyman α (Lyα) Strahlung von hoch-rotverschobenen Galaxien zu detektieren und zu verstehen durchgeführt wurden. Die Lyα Emissionslinie im ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums (λ = 1216 Å) ist intrinsisch die stärkste Rekombinationslinie im Linienspektrum sternbildender Galaxien. Die Linie ist eine Folge der Ionisation des interstellaren Gases durch heiße O- und B- Sterne. Man erwartet von Galaxien mit Sternentstehungsraten 1 - 10 Msol/Jahr intrinsische Lyα Leuchtkräfte von 42 dex - 43 dex (erg/s), was bei Rotverschiebungen von z~3, bei denen Lyα mit bodengebundenen Teleskopen zu beobachten ist, einem Strahlungsstrom von ~ -17 dex - -18 dex (erg/s/cm²) entspricht. Allerdings werden nicht von allen sternbildenen Galaxien derartige Lyα Strahlungsströme gemessen. Dies ist in erster Linie eine direkte Konsequenz des hohen Absorptionsquerschnitts von neutralem Wasserstoff fürIn der vorliegenden Doktorarbeit präsentieren wir Resultate aus drei integralfeldspektroskopischen Beobachtungskampagnen die mit der Intention Lyman α (Lyα) Strahlung von hoch-rotverschobenen Galaxien zu detektieren und zu verstehen durchgeführt wurden. Die Lyα Emissionslinie im ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums (λ = 1216 Å) ist intrinsisch die stärkste Rekombinationslinie im Linienspektrum sternbildender Galaxien. Die Linie ist eine Folge der Ionisation des interstellaren Gases durch heiße O- und B- Sterne. Man erwartet von Galaxien mit Sternentstehungsraten 1 - 10 Msol/Jahr intrinsische Lyα Leuchtkräfte von 42 dex - 43 dex (erg/s), was bei Rotverschiebungen von z~3, bei denen Lyα mit bodengebundenen Teleskopen zu beobachten ist, einem Strahlungsstrom von ~ -17 dex - -18 dex (erg/s/cm²) entspricht. Allerdings werden nicht von allen sternbildenen Galaxien derartige Lyα Strahlungsströme gemessen. Dies ist in erster Linie eine direkte Konsequenz des hohen Absorptionsquerschnitts von neutralem Wasserstoff für Lyα Photonen. Deshalb erfahren Lyα Photonen einen komplexen Strahlungstransportprozess in typischen interstellaren Umgebungen. Die exakten Bedingungen bei denen Lyα Strahlung eine Galaxie verlassen sind noch nicht hinreichend gut verstanden. Diesbezüglich werden in Kapitel 2 dieser Arbeit integralfeldspektroskopische Beobachtungsergebnisse der Balmer α Strahlung (Hα, λ = 6562.8 Å) von 14 nahen sternbildenden Galaxien gezeigt. Die Beobachtungsdaten wurden mit dem Potsdam Multi Aperture Spectrophotometer (PMAS) am Calar Alto 3.5m Teleskop gewonnen. Hα Strahlung ist eine direkte Kopie des intrinischen Lyα Strahlungsfeldes der Galaxien. Wir zeigen unsere Hα Geschwindigkeitsfelder und Geschwindigkeitsdispersionsfelder räumlich überlagert zu Hubble-Weltraumteleskop-Bildaufnahmen der Lyα und Hα Strahlungsströme. Aus diesen Beobachtungen können wir schlussfolgern, dass in einigen Galaxien kausale Zusammenhänge zwischen der Hα-Kinematik und der Lyα-Photometrie bestehen. Statistisch signifikant finden wir, dass Galaxien, bei denen chaotische Dispersionsbewegungen dominieren, wahrscheinlicher Lyα Strahlung abgeben als Galaxien bei denen die Gasbewegungen durch geordnete Bewegungen dominiert sind. Dieses Resultat ist ein Indiz dafür, dass Turbulenz im interstellaren Medium aktiv sternbildender Galaxien schafft, welche ein Austreten der Lyα-Strahlung begünstigen. Neben massereichen Sternen kann nicht-thermische Strahlung eines akretierenden supermassereichen schwarzen Loches eine weitere Energiequelle zur Erzeugung von Lyα Strahlung sein. Wenn eine Galaxie einen solchen aktiven Galaxienkern enthält, kann die Rate der ionisierenden Photonen 1000-mal höher sein als bei einer normalen sternbildenden Galaxie. Diese Strahlung hat das Potential große Bereiche weit ausserhalb der Sternansammlungen der Galaxien zu ionisieren. Deshalb ist zu erwarten, dass der neutrale Wasserstoff in diesen zirkum-galaktischen Gebieten in Lyα-Strahlung fluoresziert. Dieses zirkum-galaktische Gas spielt eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung von Galaxien. Zum Einen ist es das Reservoir aus denen Sternentstehungsprozesse ihr Gas beziehen, zum Anderen ist es Wechselwirkungsprozessen ausgesetzt, bei denen Gas aus der Galaxie hinausgeschleudert wird. Wenn Lyα-Strahlung dieses zirkum-galaktischen Mediums detektiert werden könnte, ließen sich diese fundamentalen Prozesse der Galaxienentwicklung detaillierter studieren. In Kapitel 3 dieser Arbeit zeigen wir PMAS Beobachtungsdaten von 5 radio-leisen Quasaren in denen wir nach dieser ausgedehnten Lyα-Strahlung gesucht haben. Jedoch haben wir für 4 unserer Quasare keine signifikanten Spuren dieser ausgedehnten Strahlung entdecken können. Im fünften Objekt finden wir in Entfernung von einigen Kiloparsec zum Kern Anzeichen für eine schwache und räumlich eher kompakte Quelle. Deartig schwache Flüsse von solchen Strukturen erscheinen konsistent mit der Annahme, dass radio-leise Quasare sich in Halos aus dunkler Materie mit eher moderaten Massen befinden. Obwohl wir nicht direkt Lyα-Strahlung vom zirkum-galaktischen Medium detektieren konnten, sind unsere Detektionsgrenzen von Nutzem bei der Planung von diesbezüglichen Beobachtungen mit der neuen Generation von Integralfeldspektrographen an 8--10m Teleskopen. Ein derartiges Instrument ist der Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) am ESO Very Large Telescope. Einer der Hauptbeweggründe für dessen Konstruktion war die Verwendung als Durchmusterungsinstrument für Lyα emittierende Galaxien bei hohen Rotverschiebungen. Aktuell führen wir eine derartige Durchmusterungskampagne durch. Nach deren Abschluss, werden wir eine Fläche von 100 Quadratbogenminuten durchmustert haben. In Kapitel 5 dieser Arbeit präsentieren wir als erstes Resultat einen Katalog von 831 Emissionslinienselektierten Galaxien in einer 22.2 Quadratbogenminuten großen Region im Chandra Deep Field South. Um diesen Katalog zu erzeugen, haben wir eine neuartige Quellendetektionsmethode für integralfeldspektroskopische Datensätze entwickelt und implementiert (Kapitel 4). Unser Katalog enthält 237 Lyα emittierende Galaxien bei Rotverschiebungen 3 ≲ z ≲ 6. Aufgrund ihrer geringen Kontinuumsflussdichten existierten zuvor nur von 4 dieser Galaxien spektroskopische Rotverschiebungen. Als Abschluss dieser Arbeit präsentieren wir einen Ausbick bezüglich der Konstruktion einer Leuchtkraftfunktion dieser einzigartigen Lyα Galaxienstichprobe (Kapitel 6).show moreshow less

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Metadaten
Author details:Edmund Christian HerenzORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102341
Supervisor(s):Lutz Wisotzki, Martin M. Roth
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Completion year:2016
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/11/11
Release date:2017/01/23
Tag:Astrophysik; Galaxien; Galaxien bei hoher Rotverschiebung; Integralfeldspektroskopie; Quasare
astrophysics; galaxies; high redshift galaxies; integral field spectroscopy; quasars
Number of pages:175
RVK - Regensburg classification:US 1550, US 3400
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
PACS classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 98.00.00 Stellar systems; interstellar medium; galactic and extragalactic objects and systems; the Universe / 98.54.-h Quasars; active or peculiar galaxies, objects, and systems / 98.54.Kt Protogalaxies; primordial galaxies
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 98.00.00 Stellar systems; interstellar medium; galactic and extragalactic objects and systems; the Universe / 98.58.-w Interstellar medium (ISM) and nebulae in external galaxies / 98.58.Hf H II regions; emission and reflection nebulae
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