Magíster en Ciencias, Mención Astronomía / La observación de emisión Lyman alpha (Lyα) proveniente de galaxias es una técnica ampliamente utilizada para el estudio del universo a alto redshift (e.g. Shapley et al. 2003, Ouchi et al. 2008, Stark et al. 2010, Blanc et al. 2011). Sin embargo, a pesar de su importancia, los estudios estadísticos de esta emisión no abordan posibles sesgos al elaborar las muestras de objetos, induciendo discrepancias. Diferentes metodologías inducen selecciones en masa estelar (M∗), tasa de formación estelar (SFR) y metalicidad. Los perjuicios asociados a la forma actual de estudiar la emisión Lyα no solamente se restringen a sesgos en los resultados obtenidos, sino que también limitan nuestro entendimiento de este proceso radiativo en la población de galaxias. En consecuencia, nuestra comprensión de la emisión Lyα en dicha población es actualmente altamente especulativo. Todas estas razones justifican la necesidad de llevar a cabo un estudio de emisión Lyα en la población de galaxias, lo cual es el objetivo de esta tesis. El presente trabajo detalla los resultados de un exhaustivo análisis de emisión Lyα a alto redshift. Para ello, primero diseñamos una muestra de 629 galaxias observadas por CANDELS (Koekemoer et al. 2011, Grogin et al. 2011). Dicha muestra se encuentra especialmente di- señada para abarcar el rango de masa estelar 7.6 < log (M∗[M⊙]) < 10.6 y rango de redshift 3 < z < 4.6. Tras esta selección, realizamos espectroscopía de los objetos con el Michigan/- Magellan Fiber System (M2FS; Mateo et al. 2012). De esta forma, contamos con mediciones de flujo de Lyα, además de la fotometría CANDELS, la cual permite obtener masa estelar, luminosidad, tasa de formación estelar, y extinción para cada galaxia. Observamos que el Ancho Equivalente y Fracción de escape de Lyα decrecen con la masa estelar, luminosidad en el UV, tasa de formación estelar, y extinción de las galaxias. Además, introducimos aplica- ciones de estadística Bayesiana en este campo de la astrofísica. Esto nos permite concluir que un modelo de distribución exponencial es el más apropiado para reproducir nuestras distri- buciones de Ancho Equivalente de Lyα, además de caracterizar la completitud y significancia de las correlaciones que observamos. También estudiamos los impactos que tienen diferentes técnicas de selección de galaxias en las estadísticas observadas de Lyα. Lyman Break Galaxies y estudios de Lyα emitters seleccionan preferentemente galaxias de baja masa estelar y poco polvo interestelar. Finalmente, realizamos la primera predicción semi-analítica de la fracción de Lyα emitters hasta redshift 7, la cual se puede utilizar para restringir observacionalmente la época de reionización. Todos estos resultados no solamente contribuyen a comprender de mejor manera este tipo de radiación, sino que también establecen un nuevo marco para el análisis estadístico de este trazador del universo temprano.

This thesis presents spectroscopic observations of z ≥ 7 galaxy candidates in the Hubble Ultra Deep Field, which were selected with HST WFC3 imaging, using the Lyman-Break technique. Four z-band (z ≈ 7) dropout galaxies were targeted with Gemini/GNIRS, one z-band dropout galaxy and three Y -band (z ≈ 8 − 9) dropout galaxies with VLT/XSHOOTER, and 22 z-band dropouts with VLT/FORS2, where 15 of the latter are strong candidates. No evidence of Lyman-α emission is found, and the upper limits on the Lyman-α flux and the broad-band magnitudes are used to constrain the rest-frame equivalent widths for this line emission. Amongst the targeted objects, observations were made of HUDF.YD3, a relatively bright Y -band dropout galaxy likely to be at z ≈ 8 − 9 on the basis of its colours in the HST ACS and WFC3 images. Lehnert et al. (2010) observed this galaxy using the VLT/SINFONI integral field spectrograph and claim that it exhibits Lyman-α emission at z = 8.55. In observations of this object described in this thesis, which were made with VLT/XSHOOTER and Subaru/MOIRCS, this line was not reproduced despite the expected signal in the combined MOIRCS & XSHOOTER data being 5σ. Hence it appears unlikely that the reported Lyman-α line emission at z > 8 is real. Accounting for incomplete spectral coverage, in total (across all spectro- graphs) 9.63 z-band dropouts and 1.15 Y -band dropouts are surveyed to a Lyman-α rest-frame Equivalent Width better than 75 ̊A. A model where the fraction of high rest-frame equivalent width emitters follows the trend seen at z = 3−6.5 is inconsistent with these non-detections at z = 7−9 at a confidence level of ∼ 91%, which may indicate that a significant neutral HI fraction (χHI) in the intergalactic medium suppresses the Lyman-α line at z > 7. In particular, the lack of detection of Lyman-α emission in this spectroscopy is compared with results at lower redshift by Stark et al. (2010), who derive a mapping between Lyman-α fractions and χHI based on radiative transfer simulations by McQuinn et al. (2007). These results suggest a lower limit of χHI ~ 0.5.