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Lyman-Alpha-Emitter (LAEs) sind eine Gruppe von Galaxien, die einen
erheblichen Teil ihrer Strahlung bei Wellenlängen um 121,567 nm
emittieren, der so genannten Lyman-alpha-Linie des Wasserstoffs. Da
diese Strahlung für weit entfernte Objekte leichter nachweisbar ist,
wo die Linie von ihrer ursprünglichen UV-Wellenlänge in den Bereich
des optischen Lichtes verschoben wurde, nutzen Astronomen diese
Eigenschaft, um insbesondere LAEs bei hohen Rotverschiebungen (bis zu
z = 8) nachzuweisen, als unser Universum weniger als eine Milliarde
Jahre alt war.
Allerdings ist das Leben für diese Lyman-alpha-Photonen bei sehr hoher
Rotverschiebung (z> 6) nicht gerade einfach. Das Gas im
intergalaktischen Medium (IGM) um diese Galaxien ist tendenziell immer
mehr neutral und somit erhöht sich die Streuung. Genau wie Nebel das
Scheinwerferlicht eines Autos streut und dimmt, sorgen die neutralen
Wasserstoffatome dafür, dass die LAEs schwächer werden und schließlich
zu schwach sind um sie noch nachweisen zu können. Andererseits kann
dieser Effekt genutzt werden, um die Änderungen im IGM von einem
neutralen zu einem hoch ionisierten Zustand in der Reionisationsepoche
zu verstehen.
Die Wahrscheinlichkeit der Streuung ist am höchsten, wenn die
Wellenlänge der Photonen der ursprünglichen Wellenlänge der
Lyman-alpha-Linie am nächsten ist. Auf seinem (ungestreuten) Weg zum
Beobachter wird das Photon durch die kosmische Expansion zu längeren
Wellenlängen hin rotverschoben. Daher hat das IGM in unmittelbarer
Nähe der Galaxie den größten Einfluss auf die Streuung der
Lyman-alpha-Photonen.
Die Einzelheiten dieser Streuung hängen von verschiedenen
Eigenschaften des Wasserstoffes im Gas ab, insbesondere von Dichte,
Geschwindigkeit und dem Grad der Ionisierung. Darüber hinaus könnten
Inhomogenitäten im IGM (siehe Abb. 2) den Strahlungstransfer der
Lyman-alpha-Photonen erheblich beeinflussen.
Wissenschaftler am MPA führten eine neue Studie zu diesem Effekt
durch, die detaillierte kosmologische Simulationen des IGM in der Nähe
der Galaxie mit Berechnungen des Strahlungstransfers der
Lyman-alpha-Strahlung kombiniert. Ihre Analyse zeigt, dass das
Streuverhalten der Lyman-alpha-Photonen äußerst komplex ist und große
Schwankungen in Abhängigkeit von den verschiedenen Blickrichtungen
aufweist (siehe Abb. 3). Die LAEs erscheinen nicht als Punktquellen
sondern als ausgedehnte Halos mit einer komplexen Struktur und der
gesamte Lyman-alpha-Fluss kann für ein und dasselbe Objekt um einen
Faktor 3 variieren, abhängig von der Sichtlinie. Dies macht es
schwierig, den Lyman-alpha-Fluss mit den Eigenschaften der Galaxie in
Verbindung zu bringen.
Eine weitere Komplikation ergibt sich aus der Nachweisgrenze von
Messkampagnen. Abhängig von der Tiefe einer Beobachtung ist nur ein
Teil der Pixel im Helligkeitsprofil oberhalb der
Nachweisgrenze. Außerdem kann der Fluss bei einer LAE-Messkampagne in
jedem Pixel aufgrund der Struktur des IGM und der Streuung der
Lyman-alpha-Photonen um mehrere Größenordnungen variieren. Dies
bedeutet, dass nur ein Bruchteil des gesamten Flusses entlang dieser
Sichtlinie tatsächlich aufgezeichnet und dem jeweiligen LAE zugeordnet
wird - nur die Spitze des Eisbergs ist sichtbar.
Bei höheren Rotverschiebungen wird es immer schwieriger, empfindliche
Nachweisgrenzen zu erreichen, was effektiv zu einem Dimmen der LAEs in
derartigen Beobachtungskampagnen führt. Dies würde wiederum
Auswirkungen auf die Abschätzung des neutralen Anteils im IGM haben,
die auf dem Nachweis von LAEs basiert.
Damit unterstreicht diese Studie die Notwendigkeit von tiefen
Beobachtungen der LAEs sowie detaillierten
3D-Strahlungstransfer-Simulationen, um korrekte Modelle für diese
Objekte zu erhalten. Nur dann können sie als präzise Sonden genutzt
werden, um das ferne Universum und die Reionisationsepoche zu
untersuchen.
Akila Jeeson-Daniel, Benedetta Ciardi, Umberto Maio, Marco Pierleoni,
Mark Dijkstra, Antonella Maselli
Originalveröffentlichung
Akila Jeeson-Daniel, Benedetta Ciardi, Umberto Maio, Marco Pierleoni,
Mark Dijkstra, Antonella Maselli,
“Effect of Intergalactic Medium on the Observability of Lyman Alpha
Emitters during Cosmic Reionization”,
accepted for publication in MNRAS.
 http://arxiv.org/abs/1204.2554
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