Exploring the Universe with Quasar Absorption Spectra: correlations among tracers of the mass density field and the impact of ionizing background intensity fluctuations

Abstract

The work we present in this manuscript revolves around the use of quasar spectra to probe the Universe. Absorption features in the electromagnetic spectrum of bright distant quasars by ionized hydrogen give us access to the distribution of gas in the Universe. Because the light from distant quasars is redshifted as it travels through the Universe, photons emitted with an energy below the Lyα transition will be absorbed along their journey, at the point where their wavelength has been redshifted to the transition wave- length of 1216 Å. As a result, an observed spectrum and its features, referred to as Lyα Forest, depend on the density of neutral hydrogen as a function of position along the line of sight from the quasar. Similar studies can be made with photons blueward of the emission line of the triply ionized carbon. Studying the distribution of this ionized gas on cosmological scales allows us to trace the underlying matter density field while at the same time gaining insight on the thermal state of the intergalactic medium by studying the small-scale correlations of the Lyα absorption.

Part I of this manuscript, Introduction to the Universe introduces all the physical and observational notions necessary for the understanding of this doctoral work. In chapter 1, we put in context the field of cosmology and its motivations as well as acquaint ourselves with the standard models that made consensus as best describing our Universe at this time. Chapter 2 presents the formalism and notions of cosmology used in the following chapters. Additional clarifications are available for the interested reader in appendix A. Chapter 3 introduces useful concepts for the use of quasars and their spectra as observables for cosmological surveys.

Part II starts with chapter 4, On the effect of the ionizing background on the Lyα forest autocorrelation function. In this work, we present an analytical frame- work to understand the effects of a fluctuating intensity of the cosmic ionizing background on the correlations of the Lyα Forest transmission fraction measured in quasar spectra. In the absence of intensity fluctuations, , and in the limit of large scales at which the linear regime is applicable, the Lyα power spectrum should have the expected cold dark matter power spectrum with redshift distortions in the linear regime, with a bias factor bδ and a redshift distortion parameter β that depend on redshift but are independent of scale. We found that the intensity fluctuations introduce a scale dependence in both bδ and β, but keeping their product bδβ fixed. We also showed that these fluctuations do

not bias current or future measurements of the baryon acoustic oscillation (BAO) scale from Lyα Forest. Only the amplitude of the Lyα autocorrelation is affected, the position of the BAO peak is not.

Chapter 5 is titled Quasar - CIV Forest cross-correlation. In a similar fash- ion that the Lyα Forest is used to probe neutral hydrogen clouds, we use the absorp- tion features of triply ionized carbon (CIV) to (a) probe metal enriched gas at redshift 1.4 < z < 4.2, (b) trace structures at z < 2 that were not accessible with the Lyα For- est. Thanks to the data provided by the full BOSS survey, there is a sufficient increase in quasar number density, compared to previous data sets available, to offset the lower sensitivity of the CIV Forest. As a result, we have made the first detection using the con- tinuum transmission approach of a signal from the Quasar - CIV forest cross-correlation. This detection allows to measure the transmission CIV bias factor at redshift z = 2.3: (1 + βCIV )bCIV = −0.024 ± 0.003.

El treball que presentem en aquesta tesi versa sobre l’ús d’espectres de quàsars per a investigar l’Univers. Els sistemes d’absorció produïts per l’hidrogen intergalàctic en l’espectre electromagnètic de quàsars llunyans i brillants ens permeten explorar la dis- tribució de gas en l’Univers. Atès que la llum dels quàsars es decala cap al roig a mesura que viatja a través de l’Univers, els fotons emesos amb una energia superior a la de la transició Lyα són absorbits (en realitat, rebotats per àtoms d’hidrogen) al llarg del seu viatge, just al punt on la seva longitud d’ona coincideix amb la línia de ressonància Lyα a 1216 Å. El resultat és el que denominem bosc Lyα , un camp d’absorció variable al llarg de l’espectre que reflecteix la densitat d’hidrogen neutre en funció de la posició al llarg de la línia de visual del quàsar. Estudis similars poden realitzar-se a la part de l’espectre cap al blau de la línia d’emissió del carboni triplement ionitzat (CIV), en què apareix absorció per part del CIV intergalàctic. La distribució d’aquest gas ionitzat a escales cosmològiques ens permet rastrejar el camp de densitat de matèria subjacent, i al mateix temps obtenir una visió de l’estat tèrmic del medi intergalàctic mitjançant l’estudi de les correlacions a petita escala de l’absorció Lyα .

La part I de la tesi, Introducció a l’Univers, ens introdueix les nocions físiques i observacionals necessàries per a la comprensió d’aquest treball doctoral. En el capítol 1, posem en context el camp de la cosmologia i les seves motivacions, i presentem el model estàndard que ha assolit un consens com la millor descripció del nostre Univers en l’actualitat. Seguidament, el capítol 2 presenta el formalisme i les nocions de cosmolo- gia emprades en els segënts capítols. A l’annex A hi ha aclariments addicionals pel lector interessat. A continuació, el capítol 3 presenta conceptes útils sobre l’ús dels espectres de quàsars per estudis cosmològics.

La part II comença amb el capítol 4, titolat sobre l’efecte del fons ionitzant en la funció d’autocorrelació del bosc Lyα . Aquest treball desenvolupa un marc analític per a comprendre els efectes d’una intensitat fluctuant del fons còsmic ionitzant sobre les correlacions de l’absorció en el bosc Lyα mesurades en espectres de quàsars. En absència d’aquestes fluctuacions d’intensitat, i en el límit d’escales grans en què el règim lineal és aplicable, l’espectre de potència del bosc Lyα ha de ser proporcional a l’espectre de potència de la massa en la teoria estàndard de matèria fosca freda esperada, amb les

conegudes distorsions de decalatge al vermell del règim lineal, i està totalment carac- teritzat per un factor de biaix bδ i un paràmetre de distorsió per decalatge β. Aquests dos paràmetres poden evolucionar amb el temps però són independents de l’escala. En el nostre treball trobem que les fluctuacions d’intensitat introdueixen una dependència d’escala tant en bδ como en β, però mantenint el seu producte bδβ fix. També mostrem que aquestes fluctuacions d’intensitat no esbiaixen de manera sistemàtica les mesures de l’escala d’oscilůlacions acústiques bariòniques (BAO) del bosc Lyα , la qual s’utilitza per indagar la presència d’energia fosca a l’Univers a les diverses èpoques en què podem mesurar aquesta escala. Només l’amplitud de l’autocorrelació Lyα es veu afectada.

El capítol 5 es titula Creu-Correlació quàsars - bosc CIV. De forma semblant a com el bosc Lyα s’utilitza per a sondar els núvols d’hidrogen neutre, hem utilitzat les característiques d’absorció del CIV per traçar estructures en l’interval de decalatge 1.4 < z < 4.2, sondant el gas enriquit en metall i correlacionant-lo amb els quàsars. a. Gràcies a les dades del cartografiat complet de BOSS i al gran nombre de quàsars que inclou, hem pogut mesurar la creu-correlació de l’absorció de CIV amb quàsars amb precisió suficient per obtenir la primera mesura dels factors de biaix dels absorbidors de CIV. El resultat d’aquesta mesura pel factor de biaix de la fracció transmesa per CIV a un decalatge de z = 2.3 és: (1 + βCIV )bCIV = −0.024 ± 0.003, amb un error més gran per mesurar el factor de distorsió βCIV i bCIV separadament.

El trabajo que presentamos en este manuscrito gira en torno al uso de espectros de cuasar para investigar el Universo. Las características de absorción en el espectro electromagnético de los cuasares distantes brillantes por el hidrógeno ionizado nos dan acceso a la distribución de gas en el Universo. Debido a que la luz de cuásares distantes es redshifted a medida que viaja a través del Universo, los fotones emitidos con una energía por debajo de la transición Lyα serán absorbidos a lo largo de su viaje, en el punto donde su longitud de onda ha sido redshifted a la transición de longitud de onda de 1216 Å. Como resultado, un espectro observado y sus características, denominado Bosque Lyα , dependen de la densidad del hidrógeno neutro en función de la posición a lo largo de la línea de visión a partir del cuásar. Estudios similares pueden realizarse con fotones hacia el azul de la línea de emisión del carbono ionizado triple. El estudio de la distribución de este gas ionizado en las escalas cosmológicas nos permite rastrear el campo de densidad de materia subyacente, mientras que al mismo tiempo obtener una visión sobre el estado térmico del medio intergaláctico mediante el estudio de las correlaciones a pequeña escala de la absorción de Lyα .

La parte I de este manuscrito, Introducción al Universo, introduce todas las no- ciones físicas y observacionales necesarias para la comprensión de este trabajo doctoral. En el capítulo 1, ponemos en contexto el campo de la cosmología y sus motivaciones, así como nos acostumbramos a los modelos estándares que hicieron del consenso como la mejor descripción de nuestro Universo en este momento. El capítulo 2 presenta el formalismo y las nociones de cosmología utilizadas en los siguientes capítulos. En el apéndice A se encuentran aclaraciones adicionales para el lector interesado. Por último, el capítulo 3 presenta conceptos útiles para el uso de cuásares y sus espectros como ob- servables para estudios cosmológicos.

La parte II comienza con el capítulo 4, Sobre el efecto del fondo ionizante en la función de autocorrelación del bosque Lyα . En este trabajo se presenta un marco analítico para comprender los efectos de una intensidad fluctuante del fondo ionizante cósmico sobre las correlaciones de la fracción de transmisión de Lyα bosque medido en espectros de cuasar. En ausencia de fluctuaciones de intensidad, y en el límite de grandes escalas en las que el régimen lineal es aplicable, el espectro de potencia Lyα debería tener el espectro de potencia de materia oscura fría esperada con distorsiones de

desplazamiento al rojo en el régimen lineal, con un factor de sesgo bδ y un parámetro de distorsión de desplazamiento al rojo β que dependen del desplazamiento al rojo pero son independientes de la escala. Encontramos que las fluctuaciones de intensidad introducen una dependencia de escala tanto en bδ como en β, pero manteniendo su producto bδβ fijo. También mostraron que estas fluctuaciones no sesgo actual o futuras mediciones de la oscilación acústica barión (BAO) escala de Bosque Lyα . Sólo la amplitud de la autocorrelación Lyα se ve afectada, la posición del pico BAO no lo es.

El capítulo 5 se titula Cuasar - CIV bosque correlación cruzada. De man- era similar, el bosque de Lyα se utiliza para probar las nubes de hidrógeno neutras, utilizamos las características de absorción del carbono ionizado triple (CIV) para (a) sondar el gas enriquecido en metal a cambio de rojo 1.4 < z < 4.2, (b) z < 2 que no eran accesibles con el bosque Lyα . Gracias a los datos proporcionados por la encuesta completa de BOSS, existe un aumento suficiente en la densidad del número de cuásar, en comparación con los conjuntos de datos anteriores disponibles, para contrarrestar la menor sensibilidad del bosque CIV. Como resultado, hemos hecho la primera detección usando el método de transmisión continua de una señal de la correlación cruzada del bosque Cuasar-CIV. Esta detección permite medir el factor de sesgo de transmisión CIV al desplazamiento al rojo z = 2.3: (1 + βCIV )bCIV = −0.024 ± 0.003.