Radiative transfer simulations of Lyman-alpha photons in the universe

Byrohl, Chris (2021): Radiative transfer simulations of Lyman-alpha photons in the universe: application to cosmology and astrophysics. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The Lyman-alpha emission line is one of the brightest lines in the high-redshift Universe. With new instruments and surveys mapping larger areas of the sky with higher spectral resolving power, spatial resolution, and depth, Lyman-alpha observations are going to providing competitive constraints of astrophysical theories and cosmological models. Even though the Lyman-alpha line has huge potential, the interpretation of its observation is difficult given the complex radiative transfer (RT) Lyman-alpha photons experience. The Lyman-alpha line is resonant and even small amounts of neutral hydrogen lead to large optical depths. As a consequence, Lyman-alpha photons will scatter numerous times until they either escape from its source or destruction by dust. Hence, spectral and spatial information of Lyman-alpha emission is significantly altered and this modification needs to be accounted for in order to obtain the encoded physical information in its observation. In this thesis, I present a framework for Lyman-alpha RT simulations to understand the complex RT involved in recent and upcoming Lyman-alpha observations. Primarily applied to cosmological hydrodynamic galaxy formation simulations, I present three applications of such framework in an astrophysical and cosmological context. First, I analyze the effects of Lyman-alpha RT on the clustering of Lyman-alpha emitting galaxies in cosmological redshift surveys. Current and future blind spectroscopic surveys map out the distribution of such galaxies in the high-redshift Universe. The spatial clustering can be used to constrain cosmological models as planned with the HETDEX survey currently under way. However, the observed clustering signal can be distorted due to the RT Lyman-alpha photons experience before reaching the observer. I present a new phenomenological effect distorting the clustering signal due to the spectral shape of Lyman-alpha emitters. I demonstrate that such effect can be modelled analogously to the well-studied Fingers-of-God effect and discuss different methods to correct for this distortion. Second, I statistically analyze and disentangle the shaping factors of the Lyman-alpha spectra. Lyman-alpha spectra are shaped by both the small-scale structure within the galaxy and the structure of the intergalactic medium along the line of sight. The imprinted spectral features from those two different spatial scales can appear degenerate. Properly distinguishing the features to arise on either scale allows us to infer important insights, such as the kinematic structure of the originating halo and the escape of ionizing photons. I sketch out different simple statistical measures to break the scale degeneracy, which might enable inferences on the underlying physical processes on both scales. By providing a public data set of Lyman-alpha transmission curves in the intergalactic medium, more dedicated studies by the astronomy community are made possible. Third, I investigate the nature of so-called Lyman-alpha halos (LAHs). In observations, LAHs describe the diffuse Lyman-alpha glow around star-forming galaxies. Modelling the commonly considered emission mechanisms and using the state-of-the-art TNG50 galaxy formation simulation, I provide predictions for LAHs with an unprecedented combination of statistical sample and resolution. I find that scattering of Lyman-alpha photons from inner star-forming regions within the galaxies dominate the faint glow in the circumgalactic medium, but substantial contributions from diffuse emission can be present. The predicted surface brightness radial profiles show a promising agreement with latest observational constraints at z=3.

Abstract

Die Lyman-alpha Emissionslinie ist eine der hellsten Linien im Universum. Mit neuen Instrumenten werden zunehmend größere Bereiche des Himmels mit höherer spektraler und räumlicher Auflösung und Tiefe durchmustert. Lyman-alpha Beobachtungen werden dadurch zunehmend bedeutsame Erkenntnisse für unser astrophysikalisches und kosmologisches Verständnis liefern. Somit hat die Lyman-alpha Emissionslinie ein enormes Potential, jedoch ist die Interpretation jener Beobachtungen aufgrund des komplexen Strahlungstransports der Lyman-alpha Photonen schwierig. Die Lyman-alpha Emissionslinie ist eine resonante Emissionslinie und zugleich reichen kleine Mengen neutralen Wasserstoffs für hohe optische Tiefen aus. Lyman-alpha Photonen werden somit vielfach gestreut bevor sie ihrer Umgebung entkommen oder durch Staub absorbiert werden. Diese Streuprozesse modifizieren die beobachteten räumlichen und spektralen Eigenschaften der Emissionslinie in Beobachtungen grundlegend, was den Rückschluss auf die zugrunde liegenden physikalischen Eigenschaften des abstrahlenden Gases erschwert. In dieser Disseration präsentiere ich einen Code für Lyman-alpha Strahlungstransport, um die komplexen Streuvorgänge nachvollziehbar zu machen, die die Interpretation heutiger und zukünftiger Lyman-alpha Beobachtungen erschweren. Ich präsentiere drei Anwendungen jenes Codes in der Astrophysik und Kosmologie unter Zuhilfenahme existierender numerischer Simulationen der Galaxieentstehung. Zuerst präsentiere ich den Effekt des Lyman-alpha Strahlungstransports auf das beobachtete Clustering von Lyman-alpha emittierenden Galaxien. Heutige und zukünftige spektroskopische Durchmusterungen des Himmels kartieren solche Galaxien im jungen Universum. Die räumliche Häufung solcher Galaxien kann genutzt werden um die Parameter des kosmologischen Modells genauer zu bestimmen, was etwa mit der HETDEX Durchmusterung derzeit vorangetrieben wird. Die räumliche Häufung jener Galaxien wird jedoch durch die Interaktion der Lyman-alpha Photonen mit dem neutralen Wasserstoff auf dem Weg zum Beobachter verfälscht. Ich präsentiere in dieser Arbeit wie die spektrale Form der beobachteten Lyman-alpha Emissionslinie die Statistik der räumlichen Häufung modifiziert und wie dieser Störungseffekt korrigiert werden kann. Weiterhin zeige ich auf wie der Einfluss des Lyman-alpha Strahlungstransports auf die Form der Lyman-alpha Spektren durch verschiedene räumlicher Skalen auseinander gehalten werden kann. Die Form der Lyman-alpha Spektren wird sowohl durch den Strahlungstransport innerhalb des Galaxie als auch durch Streuungen im intergalaktischen Medium geprägt. Die Effekte von diesen verschiedenen räumlichen Skalen auf die Spektren ist schwierig auseinanderzuhalten. Die korrekte Interpretation der Stärke jener Aufprägung ermöglicht es wichtige Rückschlüsse etwa bezüglich der Kinematik innerhalb der Galaxien zu ziehen. Ich zeige verschiedene einfache statistische Methoden auf mit welchen die Aufprägung der verschiedenen räumlichen Skalen auseinandergehalten werden kann. Weiterhin mache ich einen Katalog der verwendeten Daten öffentlich, um weitere Studien zu ermöglichen. Zum Ende untersuche ich mit dem Lyman-alpha Strahlungstransportcode die Natur sogenannter Lyman-alpha Halos (LAHs). Beobachtungen zeigen LAHs als diffuses Leuchten der Lyman-alpha Linie um Galaxien mit aktiver Sternentstehung. Durch Modellierung der gewöhnlich betrachteten Emissionsmechanismen und Nutzung der hochmodernen TNG50 Galaxieentstehungssimulationen stelle ich Voraussagen für die erwarteten LAHs um die simulierten Galaxien auf. In den Simulationen zeigt sich, dass sich die beobachteten Radialprofile von LAHs mit Streuungen von Photonen, welche den sternentstehenden Regionen innerhalb der Galaxien entkommen, erklären lassen. Dennoch kann die diffuse Emission im zirkumgalaktischen Medium für individuelle Galaxien erheblich sein. Weiterhin zeigen die simulierten Radialprofile der Lyman-alpha Halos eine vielversprechende Übereinstimmung mit neuesten Beobachtungsdaten bei Rotverschiebungen um z=3 auf.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Lyman-alpha, radiative transfer, high-redshift galaxies, circumgalactic medium, large-scale structure
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 11. November 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Komatsu, Eiichiro