The metagalactic UV background at z < 3

Abstract

The high ionization state of the intergalactic medium (IGM) is maintained by the metagalactic UV background radiation. This ionizing radiation field is supposed to be the integrated radiation of quasars and young star-forming galaxies, which is reprocessed and attenuated by the intergalactic gas. Since the UV background is inaccessible to direct observations, it is impossible to test theoretical predictions of its spectral energy distribution in great detail. However, constraints can be derived from studies of metal absorption systems, the HI Lyman alpha opacity, or the HeII Lyman alpha forest, respectively. Observations of the HeII/HI column density ratio eta particularly probe the variations of the UV background. Since unobscured quasars permitting observation of HeII absorption are rare, there are only two lines of sight, towards the quasars HE2347-4342 and HS1700+6416, where the HeII Lyman alpha forest can be resolved.

This work presents a study of the UV background at redshifts z < 3 investigating the HeII absorption towards the quasars HS1700+6416 (z = 2.72), which provides the second line of sight where the HeII Lyman alpha forest is resolved. The numerous metal line systems detected in the spectra of this QSO are studied in order to avoid biases due to unrecognized metal line absorption in the HeII forest. In this connection, several shapes of the ionizing radiation are tested for each system. The majority of the considered systems, in particular those at z > 2, is best reproduced with an ionizing radiation similar to the UV background of Haardt & Madau (2001), where the HeII break, formally located at 4 Ryd, is shifted to lower energies (~ 3 Ryd), probably due to the opacity of the higher HeII Lyman series lines.

The HeII/HI ratio eta is estimated using two different methodical approaches. The expected metal line absorption in the far-UV is taken into account as well as molecular absorption of galactic molecular hydrogen. About 16% of the eta values are significantly affected by metal line absorption. In order to investigate the applicability of the analysis methods, simple artificial spectra are created, based on the statistical properties of the HI Lyman alpha forest. The analysis of the artificial data shows that both procedures lead to confident results for restricted data samples due to line saturation and thermal line broadening. For the restricted data samples a scatter of 10-15% in eta would be expected even if the underlying value is constant. The observed scatter is significantly larger, indicating that the intergalactic radiation background is indeed fluctuating. In the redshift range 2.58 < z < 2.72, where the data quality is best, we find eta ~ 130 suggesting a contribution of soft sources like galaxies to the UV background.

Finally, an alternative analysis method is introduced and applied to the data of the quasars HS1700+6416 and HE2347-4342. The new procedure fits the high quality, optical HI data directly to the HeII spectrum, and permits to derive redshift scales that characterize the fluctuations of the HeII/HI ratio. A smooth change of $\eta$ with redshift on typical scales of Delta z ~ 0.01-0.03 (corresponding to 8-24 Mpc/h comoving) or even larger is found. The data reveals an apparent correlation between low eta regions and strong HI absorption. Thermal line broadening is suggested as a probable explanation for this apparent correlation, since the fit methods would severely underestimate eta for absorber with log N(HI) > 13 if the line width was dominated by thermal broadening. Indeed, lines located close to the cut-off of the b(N) distribution exhibit lower column density ratios compared to the whole sample, in particular if high density absorbers are considered. Therefore, the apparent correlation of eta with the strength of the HI absorption is probably caused by the insufficient consideration of thermal broadened lines in the framework of the analysis.

Der hohe Ionisationsgrad des intergalaktischen Mediums (IGM) wird durch den metagalaktischen UV Strahlungshintergrund erzeugt. Das ionisierende Strahlungsfeld setzt sich aus der beim Durchgang durch das intergalaktische Gas gefilterten Strahlung von Quasaren und jungen Galaxien zusammen. Da der UV-Hintergrund direkten Beobachtungen unzugänglich ist, ist eine detaillierte Überprüfung theoretischer Modelle für die spektrale Energieverteilung nicht möglich. Allerdings können durch die Untersuchung von Metallabsorptionssystemen, der HI Lyman alpha-Opazität oder des HeII Lyman alpha Waldes gewisse Einschränkungen abgeleitet werden. Insbesondere ist das HeII/HI-Säulendichteverhältnis eta sensitiv für Fluktuationen des UV-Hintergrundes. Da nur wenige Quasare die Beobachtung von HeII Absorption erlauben, gibt es bisher nur zwei Sehlinien, für die der HeII Lyman alpha Wald aufgelöst werden kann, nämlich die Quasare HE2347-4342 und HS1700+6416.

In dieser Arbeit wird der UV-Hintergrund bei Rotverschiebungen z < 3 anhand der HeII-Absorption im Spektrum des Quasars HS1700+6416 (z = 2.72) untersucht. Dabei handelt es sich um die zweite Sehlinie, für die der HeII Lyman alpha-Wald aufgelöst werden kann. Die zahlreichen Metallsysteme im Spektrum dieses Quasars werden analysiert, um systematische Fehler aufgrund unerkannter Metallabsorption im HeII Lyman alpha-Wald zu vermeiden. Für jedes System werden dabei verschiedene spektrale Energieverteilungen getestet. Die meisten der betrachteten Systeme, insbesondere die bei z > 2, lassen sich am besten mit einem Strahlungsfeld ähnlich dem von Haardt & Madau (2001) modellieren, bei dem die HeII-Kante bei 4 Ryd zu kleineren Energien (~ 3 Ryd) hin verschoben ist. Ein möglicher Grund für diese Verschiebung ist die Opazität der Linien höherer Ordnung der HeII Lyman Serie.

Die Bestimmung des HeII/HI-Verhältnisses eta erfolgt mit Hilfe von zwei verschiedenen methodischen Ansätzen. Dabei wird die im fernen UV erwartete Metallabsorption ebenso berücksichtigt wie die Absorption durch galaktische Wasserstoff-Moleküle. Etwa 16% der eta-Werte werden durch Metallabsorption signifikant beeinflusst. Um die Anwendbarkeit der Analysemethoden abszuschätzen, werden einfache, synthetische Spektren auf der Basis der statistischen Eigenschaften des HI Lyman alpha-Waldes erzeugt. Die Untersuchung der künstlichen Daten ergibt, dass beide Prozeduren aufgrund von Sättigungseffekten und thermischer Linienverbreiterung nur für eingeschränkte Datensätze zu glaubwürdigen Ergebnissen führen. Für derartige Datensätze ist eine Streuung von 10-15% in eta zu erwarten, auch wenn der zugrunde liegende Wert konstant ist. Die beobachtete, signifikant größere Streuung deutet darauf hin, dass der intergalaktische Strahlungshintergrund tatsächlich fluktuiert. Im Rotverschiebungsbereich mit der besten Datenqualität, d.h.2.58 < z < 2.72, ergibt sich eta ~ 130, was einen Beitrag weicher Strahlungsquellen wie Galaxien zum UV-Hintergrund nahelegt.

Schließlich wird eine alternative Analysemethode vorgestellt und auf die Daten der Quasare HS1700+6416 und HE2347-4342 angewendet. Die neue Prozedur passt die optischen HI-Daten direkt an das HeII-Spektrum an und erlaubt die Bestimmung von Rotverschiebungsskalen zur Charakterisierung der Fluktuationen des HeII/HI-Verhältnisses. Es ergibt sich ein glatter Verlauf für eta(z) auf Skalen von Delta z ~ 0.01-0.03 oder größer, was mitbewegten 8-24 Mpc/h entspricht. Anscheinend besteht eine Korrelation zwischen starker HI Absorption und Regionen mit niedrigem eta. Eine mögliche Erklärung ist die Vernachlässigung thermischer Linienverbreiterung, da die verwendeten Analysemethoden die eta-Werte für primär thermisch verbreiterte Absorptionslinien mit log N(HI) > 13 stark unterschätzen würden. Tatsächlich ergeben sich für Linien nahe der Untergrenze der b(N) Verteilung niedrigere Säulendichteverhältnisse als für die gesamte Linienauswahl, insbesondere bei der Betrachtung von Absorbern mit hoher Dichte. Deshalb wird die scheinbare Korrelation zwischen eta und der Stärke der HI Absorption vermutlich durch die unzureichende Berücksichtigung thermisch verbreiterter Linien verursacht.