This dissertation addresses two cosmological applications of the Lyman-alpha (Ly ɑ) forest observed in QSO pairs separated by several arcminutes or less. The Ly ɑ flux autocorrelation and cross-correlation provide a measurement of cosmic geometry at z > 2, via a variant of the Alcock-Paczyński test. I present the results of an observing campaign to obtain moderate resolution spectroscopy of the Ly ɑ forest in QSO pairs with small redshift differences (Δz < 0.25) and arcminute separations (θ < 5'). This new sample includes 29 pairs and one triplet suitable for measuring the cross-correlation and 78 individual QSO spectra for determining the autocorrelation. Continuum fits are provided, as are seven revisions for previously published QSO identifications and/or redshifts. Using a suite of hydrodynamic simulations, anisotropies in the Ly ɑ flux correlation function due to redshift-space distortions and spectral smoothing are investigated for 1:8 ≤ z ≤ 3, further enabling future applications of the Alcock-Paczyński test with Ly ɑ correlation measurements. Sources of systematic error including limitations in mass-resolution and simulation volume, prescriptions for galactic outflow, and the observationally uncertain mean flux decrement are considered. The latter is found to be dominant. An approximate solution for obtaining the zero-lag cross-correlation for arbitrary spectral resolution is presented, as is a method for implementing the resulting anisotropy corrections while mitigating systematic uncertainty.

No description available.

Thesis (D. Min.)--Liberty Baptist Theological Seminary, 1999. / Includes bibliographical references.

Thèse (Ph.D.) -- Université de Montréal, 2004. / "Thèse présentée à la Faculté des études supérieures en vue de l'obtention du grade de docteur en histoire de l'art" Version électronique également disponible sur Internet.

Thesis (M.A.)--University of Delaware, 2007. / Principal faculty advisor: Brock W. Jobe, Winterthur Program in Early American Culture. Includes bibliographical references.

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.

La première partie de cette thèse présente une modélisation des émissions aurorales de Jupiter dans l'ultraviolet. Le but de ce travail est de quantifier comment ces émissions permettent de contraindre l'énergie des électrons qui précipitent dans la haute atmosphère polaire de la planète. Deux types d'émissions sont étudiés : celle de la raie Lyman alpha de l'hydrogène atomique ainsi que celles de H2. Les précipitations d'électrons aurorales sont modélisées à l'aide d'un code de transport cinétique. Le profil et l'intensité de la raie H Lyman alpha sont obtenus avec un code de transfert radiatif. Des spectres synthétiques des émissions de H2 sont calculés. En étudiant la variabilité des raies en fonction de l'énergie des électrons nous montrons que seules des observations à très haute résolution permettront de contraindre fortement les précipitations d'électrons. La deuxième partie de cette thèse présente la première modélisation de l'émission H Lyman alpha d'un Jupiter chaud jamais réalisée. Si elle était détectée, cette raie permettrait de caractériser l'environnement des planètes extrasolaires. L'émission de l'étoile est beaucoup plus intense que celle de la planète, ce qui rend la détection de la raie planétaire très difficile. Les seules estimations de contraste qui avaient été réalisées jusqu'à présent découlaient d'extrapolations basées sur l'émission de Jupiter. Nous introduisons ici des outils appropriés au calcul des émissions des Jupiter chauds, en tenant compte des spécificités de leur haute atmosphère, et notamment leur forte ionisation et leurs températures qui dépassent les 10 000 K. Nous évaluons l'émission Lyman alpha de deux Jupiter chauds, en tenant compte de plusieurs sources d'excitation des particules : les émissions aurorales et thermiques sont calculées, ainsi que l'émission excitée par le rayonnement de l'étoile. Nous montrons que, dans le cas du Jupiter chaud HD 209458b, la détection de l'émission planétaire n'est pas possible avec les instruments actuels. En revanche la raie Lyman alpha du Jupiter chaud HD 189733b semble pouvoir être détectée avec l'instrument STIS du télescope spatial Hubble. / The first part of this thesis describes a modeling of the auroral emission of Jupiter in the ultraviolet. The aim of this work is to quantify how these emissions allow to constrain the energy of the electrons that precipitate in the upper atmosphere of the planet at polar latitudes. Two kinds of emissions are studied : the one of the Lyman alpha line of atomic hydrogen and those of H2. The auroral electron precipitation is modeled with a kinetic transport code. The H Lyman alpha line profile and intensity are obtained with a radiative transfer code. Synthetic spectra of H2 emissions are calculated. By studying the variability of the lines as a function of the energy of the precipitating electrons, we show that only high resolution observations will allow to put strong constraints on the electron precipitation. The second part of this thesis presents the first calculation of the H Lyman alpha emission of a hot Jupiter ever realized. If it were detected, this line would allow to constrain the environment of the extrasolar planets. The stars' emission is much more intense than that of the planet, which transforms the detection of the planetary line in a very difficult challenge. Up to now, the only estimations of contrast that have been realized are based on extrapolations of Jupiter's emission. Here we present tools that are adequate to calculate the emission of hot Jupiters. They take into account the particularities of their atmosphere, like their high ionization degree and their temperatures that exceed 10,000 K. We calculate the Lyman alpha emission of two hot Jupiters, by taking into account the auroral, thermal and dayglow contributions. In the case of the hot Jupiter HD 209458b, we show that current facilities do not allow to detect the planetary emission. On the other hand, the detection of the Lyman alpha line of the planet HD 189733b seems to be within reach of the Hubble Space Telescope.

Les travaux présentés dans cette thèse contraignent la masse des neutrinos dans le contexte de 4 modèles de matière noire en utilisant le spectre de puissance du flux transmit dans les forêts Lyman-alpha des quasars distants. Les neutrinos laissent une emprunte sur les grandes structures dans l'Univers à travers l'échelle à laquelle ils diffusent, qui se manifeste comme un déficit de fluctuations de densité de matière sur des distances inversement proportionnelles à leur masse. De l'ordre de quelques Mpc, ces échelles peuvent être sondées par les forêts Ly-$alpha$ qui tracent la densité d'hydrogène neutre atomique suivant la ligne de visée du quasar en arrière-plan. J'utilise le spectre de puissance Ly-$alpha$ construit grâce à deux relevés de grandes structures:les $13,821$ spectres optiques de quasars basse-résolution de la 9ème publication des données du SDSS/BOSS à 12 redshifts de $langle z rangle = 2.2$ à $4.4$; ainsi que la centaine de spectres de quasar haute-résolution du relevé XQ-100 du VLT à $langle z rangle = 3.20, 3.56$ et $3.93$. Ces deux relevés nous permettent de sonder les échelles de $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ à $k leqslant 0.02$ et $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectivement.Modéliser le spectre de puissance Ly-$alpha$ nécessite résoudre le régime non-linéaire de formation des structure et modéliser le gaz inter-galactique dans les simulations cosmologiques hydrodynamiques destinées à cet effet. Je contrôle pour plusieurs incertitudes systématiques liées à ces simulations. Dans un premier temps, je quantifie la variance d'échantillonnage à l'aide de simulations tournées avec différentes conditions initiales. Dans un second temps, je teste la validité d'une méthode permettant de construire le spectre de puissance à partir de simulations plus petites et moins résolues. Pour ce, j'ai tourné une simulation évoluant $2 times 2048^3$ particules de matière noire et de baryons dans un covolume de $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$. Ce travail a permit à notre groupe d'améliorer les contraintes sur la masse des neutrinos de $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ établie précédemment à $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai ensuite tourné mes efforts vers l'implémentation de neutrinos stériles en tant qu'un candidat matière noire non-froide dans les simulations. En particulier, j'ai produit les contraintes les plus fortes (au moment de la publication) sur la masse des neutrinos stériles en tant que matière noire tiède: $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai étendu l'étude dans le contexte d'une matière noire mixte et contraint l'abondance relative de la composante tiède par rapport à la froide. Enfin, j'ai complété ce travail en permettant une résonance dans la production des neutrinos stériles, réduisant ainsi leur échelle caractéristique de diffusion et refroidissant la matière tiède qu'ils incorporent. A ce but, j'ai initié une collaboration avec une équipe de physiciens théoriques impliqués dans les recherches astrophysiques de ces neutrinos stériles dits produits par résonance dans des objets riches en matière noire. Notre jeune collaboration a établi les premières contraintes sur leur masse en utilisant le spectre de puissance Ly-$alpha$. / In the work presented in this thesis, I use the power spectrum of the transmitted flux in the Lyman-alpha (Ly-$alpha$) forest of distant quasars to constrain the mass of cosmological neutrinos in the context of four seperate projects. Neutrinos leave a signature imprint on large scale structures in the Universe through their free-streaming, which manifests as a deficit of matter density fluctuations on typical length scales that are inversely proportional to their rest mass. This typical free-streeming scale, of order a few Mpc, can be probed by Ly-$alpha$ forests which are imprints of the neutral atomic Hydrogen density along the background quasar's line-of-sight. I use the Ly-$alpha$ flux power spectrum from mainly two large scale structure surveys: the $13,821$ low-resolution quasar spectra from the ninth data release of SDSS (BOSS) in 12 redshift bins from $langle z rangle = 2.2$ to $4.4$; and the $100$ high-resolution quasar spectra from the XQ-100 survey (of the VLT's XShooter spectrograph) in 3 redshift bins, $langle z rangle = 3.20, 3.56$ and $3.93$. This enables us to probe scales from $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ to $k leqslant 0.02$ and $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectively.Modeling the flux power spectrum requires solving the non-linear regime of structure formation and the intergalactic gas in the cosmological hydrodynamics simulations that are used to that effect. I controlled for several of many systematic uncertainties related to the simulations. First, I ran simulations with different initial conditions to quantify the sampling variance. I then tested the accuracy of a splicing technique that we use to construct the flux power spectrum from lower size and lower resolution simulations. This required producing a complete run of a $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$ comoving cube containing $2 times 2048^3$ dark matter particles and baryons. This enabled our working group to enhance the previously established constraints on the sum of neutrino masses from $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ to the most stringent constraint to date $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ with $95%$ confidence. I then worked on implementing right-handed neutrinos in non-cold dark matter cosmological frameworks. A substancial amount of work has gone into applying plausible initial conditions that would accurately model the free-streaming effect of these types of particles. I put the most stringest constraints (at the time of publication) on the mass of non-resonantly produced sterile neutrinos as pure warm dark matter candidates, $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ at $95%$ confidence. I extended this investigation into a mixed warm plus cold dark matter cosmology. Finally, I implement right-handed neutrinos produced in presence of a lepton asymmetry which boosts their production and lowers their free-streaming scale. I started a collaboration with a team of theoretical physicists involved in searching for astrophysical evidence for the existance of such resonantly-produced right-handed neutrinos in dark matter rich systems. Our new-born collaboration has enabled the first ever constraints on their mass using the Ly-$alpha$ forest power spectrum.

Lyman continuum (LyC) photons are known to be responsible for reionising the universe after the end of the Dark Ages, which marked a period called the Epoch of Reionisation (EoR). While these high-energy photons are thought to predominantly originate from young, hot, massive stars within the earliest galaxies, and contributions from high-energy sources like quasars and AGN, the origins of these photons are yet not well known and highly debated. Detecting LyC photons from the early galaxies near the EoR is not possible as they get completely absorbed by the intergalactic medium (IGM) on their way to us, which has prompted the development of various indirect diagnostics to study the amount of LyC photons contributed by such galaxies by studying their analogues at low redshifts. In this study, we probe the ionised interstellar medium (ISM) of seven Green Pea galaxies through spatially resolved[O III] λ5007/[O II] λ3727 (O32) and [O III] λ5007/Hα λ6562 (O3Hα) emission-line ratio maps, using data from the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) onboard the Very large telescope (VLT). Out of the two ratios, the former has proven to be a successful diagnostic in predicting Lyman continuum emitters (LCEs). Along with the line ratio maps, the surface brightness profiles of the galaxies are also studied to examine the spatial distribution of the emission lines and the regions from which they originate. The resulting maps indicate whether the ISM of the galaxies is ionization-bounded or density-bounded. Our analysis reveals that a subset of the galaxies with ionization-bounded ISM exhibits pronounced ionisation channels in the outer regions. These channels are potential pathways through which Lyman continuum photons may escape. For density-bounded ISM, the ionised ISM extends well beyond the stellar regions into the halos of the galaxies, highlighting their potential contribution to the ionising photon budget during the EoR. The findings emphasise the importance of spatially resolved ISM studies in understanding the mechanisms facilitating the escape of LyC photons.

Briser la frontière observationnelle de l’Univers lointain suscite de nombreux axes de recherches dans la cosmologie moderne. Exigeantes par la sensibilité demandée, ces observations constituent aussi bien un défi technologique pour les prochaines générations d’instruments qu’une étape nécessaire à la compréhension des différentes étapes d’évolution de l’Univers. Une des étapes importantes est la réionisation du milieu intergalactique, époque charnière marquant la fin des “Âges Sombres”. Déterminer quand et comment ce processus s’est déroulé et quelles ont été les sources l’ayant déclenché et entretenu sont les principales questions motivant ces recherches. Les travaux présentés dans cette thèse participent à l’effort de la communauté scientifique internationale dans la caractérisation de l’histoire de l’époque de la réionisation en recherchant des galaxies à grand décalage spectral vers le rouge (redshift). Après un panorama complet des contraintes observationnelles actuelles sur l’époque de la réionisation, sont ensuite présentés les deux projets ayant fournis les données constituant la matière première de cette analyse. En utilisant une même technique d’imagerie en bande étroite dans le domaine de longueurs d’onde proche-infrarouge, des observations avec l’instrument WIRCAM (CFHT) et d’autres avec l’instrument HAWK-I (VLT) ont permis d’établir des contraintes robustes sur la fonction deluminosité des Emetteurs Lyman-α au redshift z = 7.7. A l’occasion de la présentation du second projet, la problématique de la stratégie observationnelle est abordée, notamment via l’utilisation des amas de galaxies comme lentilles gravitationnelles amplifiant le flux des sources d’arrière-plan. L’absence de confirmation spectroscopique des Emetteurs Lyman-– sélectionnés durant l’analyse des données WIRCAM et l’absence de candidats dans le sondage HAWK-I suggèrent une évolution de la fonction de luminosité des Emetteurs Lyman-– entre les redshifts z = 6.5, telle quedéterminée dans d’autres études, et z = 7.7. La tendance de cette évolution, en luminosité ou en densité de galaxies, ne peut pas encore être déterminée compte tenu de la variabilité des résultats obtenus à plus bas redshift. Si cette évolutions’effectuait en luminosité, ce pourrait être le signe d’une augmentation de l’opacité du milieu intergalactique au rayonnement Lyman-α causée par une plus importante fraction d’hydrogène neutre, ce qui est une signature attendue de la réionisation. / Breaking through the observational frontier of the distant universe motivates numerous scientific cases in modern cosmology. Demanding by the required sensitivity, high-redshift observations provide both a technological challenge for next generation instruments and a necessary step toward the understanding of cosmic evolution. One critical epoch is the reionization of the intergalactic medium bringing to light the end of the so-called “Dark Ages”. Determine when and how this process took place and what were the sources that started and maintained the reionization are the mainquestions motivating this research. The work presented in this thesis contributes to the effort of the internationalscientific community in characterizing the reionization epoch history by searching for galaxies at high redshift. First, I describe the current observational constraints in a comprehensive chapter. Then the two datasets used in that work are presented. From narrow-band observations in the near-infrared with WIRCAM at the CFHT and HAWK-I at the VLT, I put strong constraints on the luminosity function of Lyman-α Emitters at z = 7.7. The best strategy for this type of survey is discussed, in particular with the use of massive galaxy clusters acting as gravitational lenses that amplify the flux from background sources. The lack of spectroscopic confirmation of candidates found with WIRCAM and the lack of candidates found with HAWK-I suggest an evolution of the luminosity function from z = 6.5. This evolution could be either in luminosity or in number density but somewhat discrepant results at lower redshift prevent any definitive answer to this question. If the evolution was mostly in luminosity, it could be interpreted as an increase in the opacity of the intergalactic medium caused by an increased fraction of neutral hydrogen, which is an expected signature of reionization.