Probing the Epoch of Reionization with Intensity Mapping of Molecular and Atomic Lines

Marta Bruno Silva

Key information

Authors:

Marta Bruno Silva (Marta Bruno Silva)

Supervisors:

Mário Gonçalo Rodrigues dos Santos (Mário Gonçalo Rodrigues dos Santos)

Published in

01/10/2014

Abstract

A Época da Reionização é uma das menos conhecidas fases da evolução do nosso Universo, ela assinala o nascimento das primeiras estrelas e a consequente ionização do hidrogénio no meio intergalactico. Este processo é difícil de se caracterizar com experiências para observar galáxias individualmente uma vez que a maioria das galáxias responsáveis pela reionização são demasiado pouco luminosas para serem detectadas directamente. Observações da linha de 21cm do hidrogénio no meio intergaláctico foram propostas como uma alternativa para estudar esta época e várias experiências estão agora a tentar medir o sinal. Esta tese explora ainda mais este método e expande o ao uso de mapeamento a três dimensões da intensidade de outras linhas de transição típicas de várias fases do gás em galáxias. O trabalho aqui apresentado inclui modelos detalhados para simular mapas de intensidade das linhas de 21cm, CO, CII e Lya, tendo em conta os processos astrofísicos envolvidos na emissão das linhas. Estudos de contaminação extragaláctica são apresentados para cada linha e várias configurações experimentais foram analisadas. Também é demonstrado como mapas de intensidade podem ser usados para determinar as condições astrofísicas nos meios interestelar e intergaláctico, para constranger modelos de formação galáctica e até mesmo para constranger o modelo cosmológico. The Epoch of Reionization is one of the last unknown phases in the evolution of our Universe, signaling the birth of the first stars and the consequent ionization of the hydrogen in the intergalactic medium. The process is hard to be characterized by galaxy surveys since most galaxies responsible for reionization are too faint to be directly observed. Observations of the hydrogen 21cm line from the intergalactic medium have been proposed as an alternative to probe this epoch and several experiments are now trying to measure the signal. This thesis further explores this approach and expands it to the use of three-dimensional intensity mapping of other transition lines typically connected to emission from several gas phases in galaxies. The work presented includes detailed models to simulate the intensity mapping signals from the 21cm, CO, CII and Lya lines, taking into account the astrophysical processes involved in the lines emission. Foreground contamination studies are presented for each line and several experimental setups are analysed. It is also shown how intensity maps can be used to determine the astrophysical conditions in the interstellar and in the intergalactic medium, to constrain galaxy formation models and even to probe the cosmological model.