Unveiling the epoch of reionization by simulations and high-redshift galaxies

Untersuchungen der Epoche der Reionisation mithilfe von Simulationen und Beobachtungen hoch rotverschobener Galaxien

  • The Epoch of Reionization marks after recombination the second major change in the ionization state of the universe, going from a neutral to an ionized state. It starts with the appearance of the first stars and galaxies; a fraction of high-energy photons emitted from galaxies permeate into the intergalactic medium (IGM) and gradually ionize the hydrogen, until the IGM is completely ionized at z~6 (Fan et al., 2006). While the progress of reionization is driven by galaxy evolution, it changes the ionization and thermal state of the IGM substantially and affects subsequent structure and galaxy formation by various feedback mechanisms. Understanding this interaction between reionization and galaxy formation is further impeded by a lack of understanding of the high-redshift galactic properties such as the dust distribution and the escape fraction of ionizing photons. Lyman Alpha Emitters (LAEs) represent a sample of high-redshift galaxies that are sensitive to all these galactic properties and the effects of reionization. In thisThe Epoch of Reionization marks after recombination the second major change in the ionization state of the universe, going from a neutral to an ionized state. It starts with the appearance of the first stars and galaxies; a fraction of high-energy photons emitted from galaxies permeate into the intergalactic medium (IGM) and gradually ionize the hydrogen, until the IGM is completely ionized at z~6 (Fan et al., 2006). While the progress of reionization is driven by galaxy evolution, it changes the ionization and thermal state of the IGM substantially and affects subsequent structure and galaxy formation by various feedback mechanisms. Understanding this interaction between reionization and galaxy formation is further impeded by a lack of understanding of the high-redshift galactic properties such as the dust distribution and the escape fraction of ionizing photons. Lyman Alpha Emitters (LAEs) represent a sample of high-redshift galaxies that are sensitive to all these galactic properties and the effects of reionization. In this thesis we aim to understand the progress of reionization by performing cosmological simulations, which allows us to investigate the limits of constraining reionization by high-redshift galaxies as LAEs, and examine how galactic properties and the ionization state of the IGM affect the visibility and observed quantities of LAEs and Lyman Break galaxies (LBGs). In the first part of this thesis we focus on performing radiative transfer calculations to simulate reionization. We have developed a mapping-sphere-scheme, which, starting from spherically averaged temperature and density fields, uses our 1D radiative transfer code and computes the effect of each source on the IGM temperature and ionization (HII, HeII, HeIII) profiles, which are subsequently mapped onto a grid. Furthermore we have updated the 3D Monte-Carlo radiative transfer pCRASH, enabling detailed reionization simulations which take individual source characteristics into account. In the second part of this thesis we perform a reionization simulation by post-processing a smoothed-particle hydrodynamical (SPH) simulation (GADGET-2) with 3D radiative transfer (pCRASH), where the ionizing sources are modelled according to the characteristics of the stellar populations in the hydrodynamical simulation. Following the ionization fractions of hydrogen (HI) and helium (HeII, HeIII), and temperature in our simulation, we find that reionization starts at z~11 and ends at z~6, and high density regions near sources are ionized earlier than low density regions far from sources. In the third part of this thesis we couple the cosmological SPH simulation and the radiative transfer simulations with a physically motivated, self-consistent model for LAEs, in order to understand the importance of the ionization state of the IGM, the escape fraction of ionizing photons from galaxies and dust in the interstellar medium (ISM) on the visibility of LAEs. Comparison of our models results with the LAE Lyman Alpha (Lya) and UV luminosity functions at z~6.6 reveals a three-dimensional degeneracy between the ionization state of the IGM, the ionizing photons escape fraction and the ISM dust distribution, which implies that LAEs act not only as tracers of reionization but also of the ionizing photon escape fraction and of the ISM dust distribution. This degeneracy does not even break down when we compare simulated with observed clustering of LAEs at z~6.6. However, our results show that reionization has the largest impact on the amplitude of the LAE angular correlation functions, and its imprints are clearly distinguishable from those of properties on galactic scales. These results show that reionization cannot be constrained tightly by exclusively using LAE observations. Further observational constraints, e.g. tomographies of the redshifted hydrogen 21cm line, are required. In addition we also use our LAE model to probe the question when a galaxy is visible as a LAE or a LBG. Within our model galaxies above a critical stellar mass can produce enough luminosity to be visible as a LBG and/or a LAE. By finding an increasing duty cycle of LBGs with Lya emission as the UV magnitude or stellar mass of the galaxy rises, our model reveals that the brightest (and most massive) LBGs most often show Lya emission. Predicting the Lya equivalent width (Lya EW) distribution and the fraction of LBGs showing Lya emission at z~6.6, we reproduce the observational trend of the Lya EWs with UV magnitude. However, the Lya EWs of the UV brightest LBGs exceed observations and can only be reconciled by accounting for an increased Lya attenuation of massive galaxies, which implies that the observed Lya brightest LAEs do not necessarily coincide with the UV brightest galaxies. We have analysed the dependencies of LAE observables on the properties of the galactic and intergalactic medium and the LAE-LBG connection, and this enhances our understanding of the nature of LAEs.show moreshow less
  • Die Epoche der Reionisation markiert die nach der Rekombination zweite grundlegende Änderung des Ionisationszustandes des Universums, nämlich den Übergang von einem neutralen zu einem ionisierten Zustand. Die Epoche der Reionisation beginnt mit dem Erscheinen der ersten Sterne und Galaxien. Von den Galaxien ausgesendete energiereiche Photonen durchdringen das intergalaktische Medium (IGM) und ionisieren den vorhandenen Wasserstoff schrittweise, bis das IGM bei z~6 (Fan et al., 2006) vollständig ionisiert ist. Während der Verlauf der Reionisation zum einen durch die Galaxienentwicklung bestimmt wird, verändert die Reionisation zum anderen den Ionisations- und thermischen Zustand des IGMs und beeinflusst damit die darauffolgende Struktur- und Galaxienentwicklung durch verschiedene Rückkopplungsmechanismen. Die geringen Kenntnisse der Eigenschaften von Galaxien bei hohen Rotverschiebungen wie der Staubverteilung und des Anteils an ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, erschweren jedoch das Verständnis desDie Epoche der Reionisation markiert die nach der Rekombination zweite grundlegende Änderung des Ionisationszustandes des Universums, nämlich den Übergang von einem neutralen zu einem ionisierten Zustand. Die Epoche der Reionisation beginnt mit dem Erscheinen der ersten Sterne und Galaxien. Von den Galaxien ausgesendete energiereiche Photonen durchdringen das intergalaktische Medium (IGM) und ionisieren den vorhandenen Wasserstoff schrittweise, bis das IGM bei z~6 (Fan et al., 2006) vollständig ionisiert ist. Während der Verlauf der Reionisation zum einen durch die Galaxienentwicklung bestimmt wird, verändert die Reionisation zum anderen den Ionisations- und thermischen Zustand des IGMs und beeinflusst damit die darauffolgende Struktur- und Galaxienentwicklung durch verschiedene Rückkopplungsmechanismen. Die geringen Kenntnisse der Eigenschaften von Galaxien bei hohen Rotverschiebungen wie der Staubverteilung und des Anteils an ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, erschweren jedoch das Verständnis des Wechselspiels zwischen Reionisation und Galaxienentwicklung. Lyman Alpha Emitter (LAE) stellen Galaxien bei hoher Rotverschiebung dar, deren Sichtbarkeit diesen Eigenschaften und den Effekten der Reionisa\-tion unterliegen. Diese Arbeit zielt darauf ab, den Verlauf der Reionisation anhand von kosmologischen Simulationen zu verstehen. Insbesondere interessiert, inwieweit der Verlauf der Reionisation durch Galaxien bei hohen Rotverschiebungen eingeschränkt werden kann, und wie die Eigenschaften der Galaxien und der Ionisationszustand des IGMs die Sichtbarkeit und die beobachtbaren Größen der LAE und Lyman Break Galaxien (LBG) beeinflussen können. Im ersten Teil dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze zur Lösung des Strahlungstransportes neu- und weiterentwickelt mit dem Ziel, die Epoche der Reionisation zu simulieren. Dazu wurde zum einen eine Methode entwickelt, die als Berechnungsgrundlage sphärisch gemittelte Temperatur- und Dichtefelder benutzt. Mithilfe des in dieser Arbeit entwickelten eindimensionalen Strahlungstransportcodes werden die Auswirkungen jeder Quelle auf die dementsprechenden Temperatur- und Ionisa\-tionsprofile (HII, HeII, HeIII) berechnet und diese auf ein Gitter abgebildet. Zum anderen wurde der dreidimensionale Monte-Carlo-Strahlungstransportcode pCRASH so erweitert, sodass detaillierte Reionisationsimulationen, die individulle Quelleneigenschaften berücksichtigen, durchgeführt werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Epoche der Reionisation in sich konsistent simuliert, indem aufbauend auf einer gasdynamischen Simulation (smoothed particle hydrodynamics (SPH), GADGET-2) mithilfe von pCRASH Strahlungstransportrechnungen ausgeführt werden. Dabei werden die ionisierenden Quellen gemäß der Eigenschaften der Sternpopulationen in der gasdynamischen Simulation modelliert. Die Entwicklung der IGM-Ionisationsanteile an Wasserstoff (HII) und Helium (HeII, HeIII) sowie der Temperatur werden in der Simulation verfolgt. Es zeigt sich, dass Reionisation erstens bei z~11 beginnt und bei z~6 endet, und zweitens von überdichten zu unterdichten Gebieten des Kosmos hin verläuft. Im dritten Teil der Arbeit werden kosmologische SPH - und Strahlungstransportsimulationen mit einem physikalisch motivierten, selbst-konsistenten Modell für LAEs kombiniert, um den Einfluss des Ionisationszustandes des IGMs, des Anteils der ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, und der Staubverteilung im interstellaren Medium (ISM) auf die sichtbaren Eigenschaften der LAEs zu verstehen. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit den beobachteten LAE Lyman Alpha- und UV-Leuchtkraftfunktionen bei z~6.6 offenbart eine dreidimensionale Entartung zwischen dem Ionisationszustand des IGMs, dem Anteil der ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, und der Staubverteilung im ISM. Dies bedeutet, dass die Sichtbarkeit von LAEs nicht nur ein Indikator für den Ionisationszustand des IGM ist, sondern auch für den Anteil an ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, und für die Staubverteilung im ISM. Diese Entartung lässt sich auch nicht auflösen, wenn Simulations- und Beobachtungsdaten der räumlichen Verteilung der LAEs bei z~6.6 gemessen mit der winkelabhängigen Zweipunktkorrelationsfunktion verglichen werden. Jedoch zeigt unser Modell, dass die Reionisation den größten Effekt auf die Amplitude der Winkelkorrelation hat und dass sich ihre Spuren klar von den Effekten auf galaktischen Skalen (den Anteil der ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, und der Staubverteilung im ISM) unterscheiden lassen. Somit kann Reionisation nicht alleine durch LAE Beobachtungen eingeschränkt werden, und es werden weitere Beobachtungen, wie z.B. die Tomographie der rotverschobenen 21cm Wasserstofflinie, benötigt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Anne Hutter
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76998
Advisor:Volker Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/04/15
Release Date:2015/05/22
Tag:Kosmologie; Reionisation; Simulationen; Strahlungstransport; hoch rotverschobene Galaxien
cosmology; high-redshift galaxies; radiative transfer; reionization; simulation
Pagenumber:vi, 155
RVK - Regensburg Classification:US 3100, US 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
MSC Classification:85-XX ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS (For celestial mechanics, see 70F15) / 85Axx Astronomy and astrophysics (For celestial mechanics, see 70F15) / 85A25 Radiative transfer
85-XX ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS (For celestial mechanics, see 70F15) / 85Axx Astronomy and astrophysics (For celestial mechanics, see 70F15) / 85A40 Cosmology (For relativistic cosmology, see 83F05)
PACS Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 95.00.00 Fundamental astronomy and astrophysics; instrumentation, techniques, and astronomical observations / 95.30.-k Fundamental aspects of astrophysics (see also section 26 Nuclear astrophysics) / 95.30.Jx Radiative transfer; scattering
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