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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-28500
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/2850/


The sub-damped Ly alpha system toward HE 0515-4414

Das sub-DLA System in Richtung des Quasars HE 0515-4414

Quast, Ralf

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SWD-Schlagwörter: Kosmische Hintergrundstrahlung , Evolutionsstrategie , Feinstrukturkonstante , Intergalaktische Materie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Quasarabsorptionslinien
Freie Schlagwörter (Englisch): QSO absorption lines , damped Lyman alpha system
Basisklassifikation: 39.30 , 33.03
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Reimers, Dieter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.02.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 15.03.2006
Kurzfassung auf Englisch: Context

Extragalactic absorbers with column densities exceeding NH I > 2 × 1020 hydrogen atoms cm-2 are generally termed damped Ly alpha (DLA) systems. The absorbers are basically comprised of predominantly neutral gas, which is an essential prerequisite for the formation of stars. The spectroscopy of absorbers offers the best possibility to study the chemical composition of the supposed equivalents of the interstellar medium of local galaxies at an earlier stage of cosmic evolution. Absorbers in the sub-DLA range with NH I > 1019 cm-2 may consist of predominantly neutral gas, if the cosmic UV background is reduced. The observed kinematic structure of absorption lines as well as the column density and metallicty statistics of absorbers provide substantial tests for models of galaxy formation and cosmic structuring. Fine-structure lines offer the possibility to examine the temperature-redshift relation of the cosmic microwave background radiation predicted by Friedmann cosmology, or to infer the physical condition of the absorbing medium. Precise measurements of the relative positions of selected metal lines can impose stringent constraints on the cosmological variability of the fine structure constant alpha, which is an implication of many unifying theories currently discussed.

Aims

The primary aim of this study is the examination of the ionization, abundance and dust depletion of metals in the sub-DLA absorber toward the QSO HE 0515-4414. The kinematic structure of metal absorption lines is discussed. Neutral carbon fine-structure lines are used to infer the temperature of the cosmic microwave background at redshift z = 1.15, and to diagnose the physical condition of the absorbing medium. Based on accurate positional measurements of individual components within an ensemble of selected Fe II resonance lines, the possible deviation of the fine structure constants from its current value is probed.

Methods

High-resolution spectra obtained with the STIS and UVES spectrographs provide the empirical basis of this work. In the optical the quality of the data is exceptional. The program used for the analysis has been developed from scratch. The software is driven by an evolution strategy, which is based on a derandomized adaptation the covariance matrix. The strategy is proven to be a highly competitive algorithm capable of calculating an optimal line profile decomposition without requiring any particular initialization. The ionization conditions within the absorber have been analyzed using the simulation software Cloudy.

Results

The sub-DLA system with redshift z = 1.15 is unusual in several respects. The velocity interval of metal lines associated with the H I absorption extends for more than 700 km s-1, which is the second largest spread yet observed in this context. The extreme spread facillitates the unusual detection of two peripheral H I components located at distances of 530 and 240 km s-1 from the NH I = 8 × 1019 cm-2 main component. The associated metal lines consist of at least 31 components. The kinematic distribution of metal line components is bimodal, which is possibly indicating the presence of two interacting absorbers. This interpretation is supported by the finding of a nonuniform ionization structure. The main absorber essentially consists of predominantly neutral gas, whereas the periphery is highly ionized. For the former, the abundances ratios of refractory elements to zinc range from Galactic warm disk to halo-like and essentially undepleted patterns. The dust-corrected metallicity of the main absorber is almost solar [Fe/H] = -0.08 ± 0.19, whereas the uncorrected metallicity is [Zn/H] = -0.38 ± 0.04. The element abundances in the periphery do conform with solar composition. The cosmic microwave background is only a minor source of the observed population of excited fine-structure levels. The excitation is predominantly caused by local FUV radiation and collisions with hydrogen atoms. The kinetic temperature of the absorbing medium is some ten to hundred Kelvin. The measured deviation of the fine-structure constant from its present value da/a = (0.1 ± 1.7) × 10-6 does not confirm the detection of a cosmological variation found in the studies of John Webb and Michael Murphy. The present measurement has been affirmed by two further research teams.

Conclusions

The present study shows that the chemical evolution of sub-DLA system toward HE 0515-4414 must have reached an advanced state. Since in this context regular DLA absorbers fall behind expectations at redshifts z < 1.5, the question arises whether the sub-DLA absorber examined in the present work is more than just an exceptional case. In particular at lower redshifts the population of sub-DLA absorbers is largely unknown. Modern Surveys setting the detection limit below the traditional threshold of NH I > 2 × 1020 cm-2 may provide interesting insights.
Kurzfassung auf Deutsch: Kontext

Extragalaktische Absorber mit einer Säulendichte von NH I > 2 × 1020 Wasserstoffatomen cm-2 werden als gedämpfte Ly alpha (DLA) Systeme bezeichnet. Diese Absorber bestehen im wesentlichen aus vorwiegend neutralem Gas, eine Grundvoraussetzung für die Entstehung von Sternen. Die Spektroskopie dieser Absorber bietet somit die beste Möglichkeit, die chemische Zusammensetzung dieser Äquivalente des interstellaren Mediums lokaler Galaxien in einem früheren Stadium der kosmischen Entwicklung zu studieren. Absorber im sub-DLA Bereich mit NH I > 1019 cm-2 können ebenfalls aus überwiegend neutralem Gas bestehen, wenn der kosmische UV Hintergrund reduziert ist. Die beobachtete kinematische Struktur der Absorptionslinien, sowie die Statistik über Säulendichte und Metallizität der Absorber sind wesentliche Prüfsteine für Modelle der Galaxienentstehung und kosmischen Strukturbildung. Detektierte Feinstrukturlinien bieten die Möglichkeit, die aus der Friedmann-Kosmologie folgende Relation zwischen Rotverschiebung und Temperatur der kosmischen Mikrowellenhintergrundstahlung zu überprüfen, oder auf die physikalischen Bedingungen innerhalb der Absorber rückzuschließen. Genaue Messungen der relativen Abstände ausgewählter Metalllinien können der von vielen gegenwärtig diskutierten Theorien zur Vereinigung der Wechselwirkungen eingeforderten kosmologischen Veränderlichkeit der Feinstrukturkonstanten alpha Grenzen auferlegen.

Vorhaben

Es werden die Ionisation, Häufigkeit und Staubkondensation von Metallen in dem sub-DLA System in Richtung des Quasars HE 0515-4414 untersucht. Die kinematische Struktur der Metalllinien wird diskutiert. Feinstrukturlinien des neutralen Kohlenstoffs werden benutzt, um auf die Temperatur der kosmischen Mikrowellenhintergrundstahlung bei der Rotverschiebung z = 1.15 und die physikalischen Bedingungen innerhalb des absorbierenden Mediums rückzuschließen. Mittels genauer Messung der Abstände einzelner Komponenten innerhalb eines Ensembles von Fe II Resonanzlinien wird die mögliche Abweichung der Feinstrukturkonstanten von ihrem heutigen Wert bestimmt.

Methoden

Empirische Basis der Untersuchungen sind hochaufgelöste Spektren, die mit den Spektrographen STIS und UVES aufgenommen wurden. Im Optischen ist die Qualität der Daten außergewöhnlich. Das für die Analyse der Spektren verwendete Programm wurde von Grund auf neu entwickelt. Herzstück des Programms ist eine Evolutionsstrategie, die auf einer derandomisierten Adaption der Kovarianzmatrix beruht. Im Gegensatz zu den üblichen deterministischen Optimierungsverfahren, benötigt die Evolutionsstrategie keine spezifische Initialisierung um eine optimale Dekomposition zu berechnen. Die Ionisationsverhältnisse innerhalb des Absorbers wurden mit Hilfe der Simulationssoftware Cloudy analysiert.

Ergebnisse

Das sub-DLA System mit Rotverschiebung z = 1.15 ist in mehrfacher Hinsicht außergewöhnlich. Am außergewöhnlichsten ist die Ausdehnung des Absorptionsintervalls der mit der H I Absorption assozierten Metalllinien, die sich über einen Bereich von 700 km s-1 verteilen. Die zweitgrößte Ausdehnung, die in diesem Kontext je beobachtet wurde. Die extreme Ausbreitung des Absorptionsintervalls ermöglicht die ungewöhnliche Detektion zweier periphärer H I Komponenten, im Abstand von 530 und 240 km s-1 von der NH I = 8 × 1019 cm-2 Hauptkomponente. Die assozierten Metallinien setzen sich aus mindestens 31 Komponenten zusammen. Die kinematische Verteilung der Komponenten ist bimodal, möglicherweise ein Hinweis auf die Anwesenheit zweier interagierender Absorber. Unterstützt wird diese Interpretation durch den Befund einer uneinheitlichen Ionisationsstruktur. Der Hauptabsorber besteht im wesentlichen aus vorwiegend neutralem Gas, wohingegen die Peripherie hochionisiert ist. Für den Hauptabsorber deuten die relativen Häufigkeiten refraktärer und flüchtiger Elemente auf das Vorhandensein beträchtlicher Mengen von Staub. Das für DLA Systeme ungewöhnlich differenzierte Häufigkeitsmuster ähnelt denen aus dem interstellaren Medium der Milchstraße und dem interstellaren Gas der Magellanschen Wolken bekannten. Die staubkorrigierte Metallizität des Hauptabsorbers ist mit [Fe/H] = -0.08 ± 0.19 nahezu solar, die unkorrigierte Metallizität ist [Zn/H] = -0.38 ± 0.04. Die Elementhäufigkeiten in der Peripherie sind mit solaren Werten vergleichbar. Der kosmische Mikrowellenhintergrund trägt zu der beobachteten Besetzung der angeregten Feinstrukturzustände der Kohlenstoffatome nur geringfügig bei. Die Anregung wird vorwiegend durch lokale FUV Strahlung, sowie Kollisionen mit Wasserstoffatomen verursacht. Die kinetische Temperatur des absorbierenden Mediums beträgt einige zehn bis wenige hundert Kelvin. Die gemessene Abweichung derFeinstukturkonstanten von ihrem heutigen Wert da/a = (0.1 ± 1.7) × 10-6 kann die in Arbeiten von John Webb und Michael Murphy gefundene Detektion einer kosmologischen Variation nicht bestätigen. Das Messergebnis der vorliegenden Arbeit wurde mittlerweile von zwei weiteren Autorenteams vollauf bekräftigt.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die chemische Entwicklung des sub-DLA Systems in Richtung HE 0515-4414 ungewöhnlich weit fortgeschritten ist. Da DLA Absorber bei Rotverschiebungen z < 1.5 diesbezüglich eher hinter den Erwartungen zurückbleiben, stellt sich die Frage, ob das in der vorliegenden Arbeit untersuchte System möglicherweise mehr als nur einen Sonderfall darstellt. Es ist jedoch insbesondere bei niedrigen Rotverschiebungen zu wenig über die Population der sub-DLA Absorber bekannt, um diese Frage beantworten zu können. Moderne Surveys mit einem Detektionslimit unterhalb der traditionellen Schwelle von NH I > 2 × 1020 cm-2 könnten interessante Einsichten vermitteln.

Zugriffsstatistik

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