Dominik Hildebrandt

• 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 theMost 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.…
• 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 dieDer 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.…