The intergalactic medium is kept highly photoionised by the intergalactic UV background radiation field generated by the overall population of quasars and galaxies. In the vicinity of sources of UV photons, such as luminous high-redshift quasars, the UV radiation field is enhanced due to the local source contribution. The higher degree of ionisation is visible as a reduced line density or generally as a decreased level of absorption in the Lyman alpha forest of neutral hydrogen. This so-called proximity effect has been detected with high statistical significance towards luminous quasars. If quasars radiate rather isotropically, background quasar sightlines located near foreground quasars should show a region of decreased Lyman alpha absorption close to the foreground quasar. Despite considerable effort, such a transverse proximity effect has only been detected in a few cases.
So far, studies of the transverse proximity effect were mostly limited by the small number of suitable projected pairs or groups of high-redshift quasars. With the aim to substantially increase the number of quasar groups in the vicinity of bright quasars we conduct a targeted survey for faint quasars around 18 well-studied quasars at employing slitless spectroscopy. Among the reduced and calibrated slitless spectra of 29000 objects on a total area of 4.39 square degrees we discover in total 169 previously unknown quasar candidates based on their prominent emission lines. 81 potential z>1.7 quasars are selected for confirmation by slit spectroscopy at the Very Large Telescope (VLT). We are able to confirm 80 of these. 64 of the newly discovered quasars reside at z>1.7. The high success rate of the follow-up observations implies that the majority of the remaining candidates are quasars as well.
In 16 of these groups we search for a transverse proximity effect as a systematic underdensity in the HI Lyman alpha absorption. We employ a novel technique to characterise the random absorption fluctuations in the forest in order to estimate the significance of the transverse proximity effect. Neither low-resolution spectra nor high-resolution spectra of background quasars of our groups present evidence for a transverse proximity effect. However, via Monte Carlo simulations the effect should be detectable only at the 1-2sigma level near three of the foreground quasars. Thus, we cannot distinguish between the presence or absence of a weak signature of the transverse proximity effect. The systematic effects of quasar variability, quasar anisotopy and intrinsic overdensities near quasars likely explain the apparent lack of the transverse proximity effect. Even in absence of the systematic effects, we show that a statistically significant detection of the transverse proximity effect requires at least 5 medium-resolution quasar spectra of background quasars near foreground quasars whose UV flux exceeds the UV background by a factor 3. Therefore, statistical studies of the transverse proximity effect require large numbers of suitable pairs.
Two sightlines towards the central quasars of our survey fields show intergalactic HeII Lyman alpha absorption. A comparison of the HeII absorption to the corresponding HI absorption yields an estimate of the spectral shape of the intergalactic UV radiation field, typically parameterised by the HeII/HI column density ratio eta. We analyse the fluctuating UV spectral shape on both lines of sight and correlate it with seven foreground quasars. On the line of sight towards Q0302-003 we find a harder radiation field near 4 foreground quasars. In the direct vicinity of the quasars eta is consistent with values of 25-100, whereas at large distances from the quasars eta>200 is required. The second line of sight towards HE2347-4342 probes lower redshifts where eta is directly measurable in the resolved HeII forest. Again we find that the radiation field near the 3 foreground quasars is significantly harder than in general. While eta still shows large fluctuations near the quasars, probably due to radiative transfer, the radiation field is on average harder near the quasars than far away from them.
We interpret these discoveries as the first detections of the transverse proximity effect as a local hardness fluctuation in the UV spectral shape. No significant HI proximity effect is predicted for the 7 foreground quasars. In fact, the HI absorption near the quasars is close to or slightly above the average, suggesting that the weak signature of the transverse proximity effect is masked by intrinsic overdensities. However, we show that the UV spectral shape traces the transverse proximity effect even in overdense regions or at large distances. Therefore, the spectral hardness is a sensitive physical measure of the transverse proximity effect that is able to break the density degeneracy affecting the traditional searches. / Das intergalaktische Medium wird durch das intergalaktische UV-Hintergrundsstrahlungsfeld in einem hochgradig photoionisierten Zustand gehalten. Der UV-Hintergrund stammt von der gesamten Population von Quasaren und Galaxien. In der Nähe von leuchtkräftigen Quasaren, ist das UV-Strahlungsfeld lokal erhöht durch den Anteil der Quelle. Der höhere Ionisationsgrad ist beobachtbar als eine reduzierte Liniendichte oder allgemein als ein vermindertes Maß an Absorption im Lyman-alpha Wald des neutralen Wasserstoffs. Dieser sogenannte Proximity-Effekt ist bei leuchtkräftigen Quasaren mit hoher statistischer Signifikanz nachgewiesen worden. Falls Quasare fast isotrop strahlen, dann sollten Sichtlinien zu Hintergrundquasaren in der Nähe von Vordergrundquasaren eine Region mit verminderter Absorption zeigen. Trotz beträchtlichen Aufwands wurde solch ein transversaler Proximity-Effekt nur in wenigen Fällen entdeckt.
Bisher waren Studien des transversalen Proximity-Effekts meist begrenzt durch die kleine Anzahl von geeigneten projizierten Paaren oder Gruppen von hochrotverschobenen Quasaren. Mit dem Ziel die Zahl der Quasargruppen in der Nähe von hellen Quasaren beträchtlich zu erhöhen, führen wir eine gezielte Suche nach schwachen Quasaren um 18 oft studierte Quasare durch. Unter den reduzierten und kalibrierten spaltlosen Spektren von 29000 Objekten auf einer Gesamtfläche von 4.39 Quadratgrad entdecken wir insgesamt 169 vorher unbekannte Quasarkandidaten anhand ihrer Emissionslinien. 81 potentielle z>1.7 Quasare werden ausgesucht zur Bestätigung mittels Spaltspektroskopie am Very Large Telescope (VLT). Wir können 80 von diesen als Quasare bestätigen. 64 der neu entdeckten Quasare liegen bei z>1.7. Die hohe Erfolgsrate der Nachfolgebeobachtungen deutet an, dass die Mehrzahl der verbleibenden Kandidaten ebenfalls Quasare sind.
In 16 dieser Gruppen suchen wir nach dem transversalen Proximity-Effekt als eine systematische Unterdichte in der HI Lyman-alpha-Absorption. Wir nutzen eine neuartige Methode die zufälligen Absorptionsfluktuationen zu charakterisieren, um die Signifikanz des transversalen Proximity-Effekts abschätzen zu können. Weder schwach aufgelöste noch hoch aufgelöste Spektren von Hintergrundquasaren unserer Gruppen zeigen Anzeichen für einen transversalen Proximity-Effekt. Aufgrund von Monte Carlo Simulationen sollte der Effekt jedoch nur schwach in der Nähe von 3 Vordergrundquasaren detektierbar sein. Deshalb können wir nicht zwischen An- oder Abwesenheit des Effekts unterscheiden. Selbst in Abwesenheit von systematischen Effekten zeigen wir, dass eine statistisch signifikante Detektion des transversalen Proximity-Effekts mindestens 5 Hintergrundquasarspektren bei mittlerer Auflösung nahe Vordergrundquasaren erfordert, deren UV-Fluss den UV-Hintergrund um einen Faktor 3 übersteigt. Deshalb erfordern statistische Studien des transversalen Proximity-Effekts große Zahlen von geeigneten Quasaren.
Zwei Sichtlinien zeigen HeII-Absorption. Ein Vergleich der HeII-Absorption mit der entsprechenden HI-Absorption liefert eine Abschätzung der Spektralform des UV-Strahlungsfelds, das typischerweise durch das HeII/HI Säulendichteverhältnis eta parameterisiert wird. Wir analysieren die fluktuierende spektrale Form des UV-Strahlungsfelds auf beiden Sichtlinien und korrelieren sie mit 7 Vordergrundquasaren. Auf der Sichtlinie zu Q0302-003 finden wir ein härteres Strahlungsfeld nahe 4 Vordergrundquasaren. In der direkten Umgebung der Quasare ist eta konsistent mit Werten von 25-100, wogegen bei großen Entfernungen zu den Quasaren eta>200 erforderlich ist. Die zweite Sichtlinie zu HE2347-4342 sondiert kleinere Rotverschiebungen. Wieder finden wir, dass das Strahlungsfeld nahe der 3 Vordergrundquasaren signifikant härter ist als im allgemeinen. Während eta trotzdem große Fluktuationen nahe den Quasaren aufweist, die wahrscheinlich von Strahlungstransport herrühren, ist das Strahlungsfeld in der Nähe der Quasare im Mittel härter als in großer Entfernung.
Wir interpretieren diese Entdeckungen als die ersten Detektionen des transversalen Proximity-Effekts als eine lokale Fluktuation im spektralen Härtegrad. Kein signifikanter HI Proximity-Effekt ist für die 7 Vordergrundquasare vorhergesagt. Tatsächlich ist die HI-Absorption nahe den Quasaren nahe am oder etwas über dem Mittelwert, was darauf hindeutet, dass die schwache Signatur des transversalen Proximity-Effekts maskiert wird durch intrinsische Überdichten. Jedoch zeigen wir, dass der Härtegrad den transversalen Proximity-Effekt selbst in überdichten Regionen oder auf großen Distanzen sichtbar werden läßt. Deshalb ist der spektrale Härtegrad ein empfindliches physikalisches Maß für den transversalen Proximity-Effekt, der in der Lage ist, die Dichteentartung zu brechen, die die traditionelle Suche behindert.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:1873 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Worseck, Gábor |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Physik und Astronomie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/de/ |
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