Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/2565
Title: Walks in the Lyman and Metal-line Forests.
Authors: Saitta, Francesco
Supervisore/Tutore: Monaco, Pierluigi
Cosupervisore: D'Odorico, Valentina
D'Odorico, Sandro
Issue Date: 10-Mar-2008
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: 
The aim of this PhD thesis is the study of the properties of the
Inter-Galactic Medium (IGM) through Quasi Stellar Objects (QSOs)
absorption lines at redshifts z~2-4. The study of the IGM provides a
unique picture of the Universe in the early phases of structure
formation and is crucial to test cosmological models. Furthermore,
the metal content of the IGM can be used to constrain the nature of
the enrichment mechanisms at high redshifts. Two main mechanisms have
been proposed predicting different distribution of metals in the IGM:
a late enrichment, due to the observed galaxies at redshift ~3, and an
early enrichment, due to a population of very massive first stars (the
so called popIII stars), not yet observed, at higher redshift. The
existing observations are not sufficient to discriminate between the
two mechanisms. QSO spectra show interesting features to study the
IGM:

1. The Lyman-alpha (Lya) forest : the forest of absorption lines
blue-ward of the Lya emission arising in large scale neutral hydrogen
density fluctuations of moderate amplitude in the warm photo-ionized
IGM. Since the dynamical state of the low density IGM is governed
mainly by the Hubble expansion, gravitational instabilities and
photo-ionization, the involved physics is quite simple and mildly
non-linear. The Lyman forest is then a fair tracer of the underlying
matter density field.

2. Metal absorptions: many absorption features due to ionic
transitions in chemical elements heavier than He (``metals'') are
clearly present red-ward of the Lya emission. Some of them are
associated with the QSO itself but the majority are tracers of
intervening metals belonging to structures of different nature, from
diffuse gas to galaxies.

Chapter 1 of the thesis presents in detail how the physics of the IGM
can be understood studying QSO absorption lines, and the classical
results obtained in this field. Then the thesis focuses on the work
done during the PhD, which has addressed three research areas:

1. Study of lines of sight (LOSs) to isolated QSOs (Chapter 2,3):

(i) a sample of 22 high-resolution QSO spectra has been studied.
Classical statistics have been applied: all the absorption features in
the spectra have been fit with Voigt profiles to extract physical
parameters associated with the absorbing material; quantities like the
evolution in redshift of the number density of the lines and the
two-point correlation function of the line distribution along the
spectra have been studied and compared with measurements available in
the literature;

(ii) a new method to analyze the Lya forest has been implemented.
Traditionally, absorption spectra are resolved in a collection of
discrete absorption systems. This method instead reconstructs the
underlying density field processing the lines on the basis of the
physical properties of the IGM. Therefore, a continuous density field
is built and the main drawbacks of the Voigt fitting approach are
overcome.

(iii) the new algorithm has been tested with N-body hydrodynamical
simulations of the IGM;

(iiii) the new algorithm has been applied to the observational data
sample to study the hydrogen density field ( its evolution with
redshift and its clustering properties ) and the so called proximity
effect of QSO, estimating the overdensity around the object.

2. Study of lines of sight to multiple QSOs (Chapter 4,5):

The thesis presents also the work done studying multiple QSO LOSs,
i.e. studying the properties of the IGM not only with the spectrum of
a single object, by trying to get transversal informations comparing
different LOSs, close both in angular separation and in the emission
redshift of the source. A sample of 15 QSO forming 21 pairs have been
studied to get the transverse correlation function, using the
statistics of the transmitted flux of the objects. Furthermore, we
have observed a pair of close QSO during two nights (7-8 august 2007)
with UVES, the high resolution spectrograph at the ESO Very Large
Telescope (VLT) located at Cerro Paranal, in Chile. These two objects
have been observed to study the correspondence between metal
absorptions and galaxies in the field; preliminary results and the
description of the work in progress are presented in detail in the
thesis (Chapter 5).

3. New instrumentation (Chapter 6):

Looking ahead to new possibilities of advance in this field of
research, an important role will be played by the high sensitivity and
medium resolution spectrograph X-shooter. It will receive first light
at the ESO VLT in July 2008 and will start operating in early 2009.
When in operation, its wide spectral-range observing capability will
be unique at very large telescopes and extremely relevant for the
study of QSO spectra. The thesis describes the Science Case
"Tomography of the IGM" for the instrument, and the work done at ESO
within the X-shooter project. For the operation of this instrument we
have carried out laboratory measurements of calibration sources for
the Near-InfraRed arm and I participated to an observational project
to build a spectro-photometric flux catalogue of standard stars for
the instrument.

Scopo di questa tesi di dottorato e` lo studio delle proprieta` del
mezzo intergalattico (IGM) attraverso le righe in assorbimento negli
spettri di quasar (QSO) osservate a redshift z~2-4. Lo studio
dell'IGM e` di fondamentale importanza per verificare modelli
cosmologici in quanto rende possibile l'osservazione dell'universo
nelle prime fasi del processo di formazione delle strutture cosmiche.
Inoltre, le tracce di elementi chimici piu` pesanti dell'He (detti
``metalli'') contenuti nell'IGM possono essere utilizzate per
comprendere i meccanismi di arricchimento metallico dell'universo ad
alti redshift. La distribuzione osservata di questi metalli e` al
momento oggetto di un intenso dibattito all'interno della comunita`
scientifica; recentemente sono stati proposti due scenari per spiegare
questa distribuzione: il cosiddetto di ``late enrichment'', per cui i
metalli osservati nell'IGM sarebbero dovuti principalmente alle
galassie osservate a redshift ~3, e l'``early enrichement'', per cui
una popolazione di stelle massicce (``popIII stars'', non ancora
osservate) a redshift ancora maggiore, sarebbe responsabile della
maggior parte di metalli presenti nell'IGM. Al momento le
osservazioni non sono sufficienti per falsificare o confermare i
meccanismi proposti.L'IGM viene studiato attraverso l'analisi di
spettri di QSOs ed in particolare:

1. La foresta Lyman-alpha (Lya): l'insieme delle righe in assorbimento
che si osservano a lunghezze d'onda minori rispetto all'emissione Lya
negli spettri di QSOs; questi assorbimenti sono dovuti a piccole
fluttuazioni su larga scala del campo di idrogeno neutro presente
nell'IGM. La fisica che descrive l'IGM e` relativamente semplice. Il
gas si trova in regime lineare o moderatamente non-lineare ed in
equilibrio di fotoionizzazione. La sua dinamica, alla densita` media,
e` dominata dall'espansione di Hubble e dall'instabilita`
gravitazionale, percio` la foresta Lya risulta essere un buon
candidato per la descrizione del campo di densita` presente a questi
redshift.

2. Gli assorbimenti metallici: a lunghezze d'onda maggiori
dell'emissione Lya sono chiaramente presenti molti assorbimenti dovuti
a transizioni di ioni metallici. Alcuni di essi hanno origine in gas
associato al QSO stesso, ma la maggior parte di questi assorbimenti
riflette la presenza di sistemi metallici lungo la linea di vista tra
l'oggetto e l'osservatore. Questi sistemi non associati sembrano
essere dovuti ad una grande varieta` di strutture, da componenti di
gas diffuso fino alle galassie di campo.

Il capitolo 1 della presente tesi descrive nel dettaglio come si possa
comprendere la fisica dell'IGM studiando i sistemi in assorbimento
degli spettri di QSO, presentando i principali risultati ottenuti
tradizionalmente in questo campo. Sucessivamente la tesi si concentra
sul lavoro svolto durante il periodo di dottorato, ed in particolare
sulle tre principali aree di ricerca affrontate:

1. Studio di linee di vista (LOSs) verso QSO singoli (Capitoli 2,3):

(i) e` stato analizzato un campione di 22 spettri di QSO ad alta
risoluzione, al quale sono state applicate le statistiche
tradizionali: tutti gli assorbimenti Lya negli spettri sono stati
fittati con profili di Voigt, al fine di ottenere parametri fisici
associati ai sistemi di assorbimento; in particolare sono state
studiate, e confrontate con risultati ottenuti in passato, quantita`
come l'evoluzione in redshift della densita` in numero di righe e la
funzione di correlazione a due punti;

(ii) e` stato sviluppato un nuovo metodo per analizzare la foresta
Lya. A differenza dell'approccio tradizionale, dove da uno spettro
di QSO si ottiene semplicemente un insieme discreto di assorbitori,
questo metodo ricostruisce il campo di densita` di idrogeno
responsabile degli assorbimenti partendo da assunzioni sulla fisica
dell'IGM. Il risultato e` un campo di densita` continuo la cui
analisi permette di risolvere alcuni problemi introdotti invece
dalla classica analisi di profili di Voigt.

(iii) il nuovo algoritmo e` stato testato con simulazioni
idrodinamiche ``N-body'' dell'IGM;

(iiii) il nuovo algoritmo e` stato applicato ai dati osservativi
citati in precedenza per studiare il campo di densita` di idrogeno
(la sua evoluzione con il redshift e la funzione di correlazione a
due punti) ed il cosiddetto ``effetto di prossimita`'', portando ad
una stima della sovradensita` del campo nella regione dove si trova
un QSO.

2. Studio di linee di vista verso sistemi di QSOs
(Capitoli 4,5):

la tesi presenta anche uno studio di linee di vista multiple; il
confronto di diverse linee di vista, vicine in separazione angolare e
in redshift di emissione, permette di avere informazioni non solo
sulle regioni di universo tracciate dalle linee di vista, ma anche
sulle regioni tra le linee di vista stesse. A questo riguardo e`
stata studiata la ``funzione di correlazione trasversale'' ottenuta
dall'analisi del flusso trasmesso da un campione di 15 QSO che formano
21 coppie. Per lo studio di linee di vista multiple e` stata
osservata una coppia di QSO per due notti (7-8 agosto 2007); le
osservazioni sono state fatte con lo spettrografo ad alta risoluzione
UVES, al ``Very Large Telescope'' (VLT), situato al Cerro Paranal, in
Cile. Questi oggetti sono stati osservati per studiare le
corrispondenze tra assorbimenti metallici e galassie di campo. Il
lavoro fatto ed i risultati preliminari ottenuti fino ad ora sono
presentati nel capitolo 5.

3. Nuova strumentazione (Capitolo 6):

Un ruolo importante per il progresso della scienza dell'IGM verra`
svolto dal nuovo spettrografo a media risoluzione ed alta`
sensibilita`, X-shooter. X-shooter ricevera` la prima luce
all'osservatorio ESO VLT in luglio 2008 per poter essere in pieno
funzionamento agli inizi del 2009. L'ampio intervallo spettrale
coperto e le caratteristiche di questo strumento sono particolarmente
vantaggiose per lo studio di spettri di QSOs. Nella tesi viene
descritto il caso scientifico ``Tomography of the IGM'' per lo
strumento, ed il lavoro svolto all'ESO nel contesto del progetto
X-shooter. Questo lavoro include le misure di laboratorio di sorgenti
di calibrazione per il braccio nel vicino infrarosso dello strumento e
la partecipazione al progetto osservativo per la costruzione di un
catalogo spettro-fotometrico di stelle standard per la calibrazione
assoluta in flusso degli oggetti che si osserveranno con X-shooter.
Ciclo di dottorato: XX Ciclo
metadata.dc.subject.classification: FISICA
Description: 
2006/2007
Keywords: Cosmologia OsservativaQSOmezzo integalatticoforesta Lyman-alpha
Type: Doctoral Thesis
Language: en
Settore scientifico-disciplinare: FIS/05 ASTRONOMIA E ASTROFISICA
NBN: urn:nbn:it:units-5791
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