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A comprehensive analysis of optical and near-infrared spectroscopy of z~6 quasars

De Rosa, Gisella

German Title: Eine umfassende Analyse der optischen und Nahinfrarotspektren von z~6 Quasaren

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Abstract

High redshift (z~6) quasars (QSOs) are unique probes of the early growth of accreting supermassive black holes (BHs) and are fundamental tools to study the ionization state of the intergalactic medium and its chemical enrichment. Until now, only the most luminous QSOs have been studied, often one object at the time. In this thesis we present the most extended consistent analysis to date of optical and near-infrared spectra of z~6 QSOs. Our NIR sample is composed of 22 spectra of QSOs at 4.5<z<6.45, covering the MgII and FeII emission features, and includes new spectroscopic VLT-ISAAC observations of three faint z~6 SDSS QSOs. The optical sample consists of 26 high quality spectra of QSOs at 5.70<z<6.45, covering the Ly-alpha complex, and the OI+SiII, CII and SiIV+OIV] broad lines. Based on the NIR spectra we estimate the BH mass (MBH), the Eddington ratio and the FeII/MgII line ratio, a proxy for the chemical enrichment of the BLR. The QSOs in our sample host BHs with masses of ~10^9 Msun that are accreting significantly faster than a luminosity–matched comparison sample at lower redshifts. The measured FeII/MgII line ratios show no evolution with cosmic time in the redshift range 4.5<z<6.45, implying that the QSOs in our sample have undergone a major episode of Fe enrichment in the few 100s Myr preceding the cosmic age at which they are observed. An analysis of the wavelength shifts of the optical lines shows that the redshifts inferred from the OI+SiII complex, visible in most of the optical spectra, are consistent with those obtained from the MgII line. This implies that zOI is a reliable proxy for the QSO systemic redshift. We create a composite template of the z~6 QSOs that, red-ward the Ly-alpha line, remarkably resembles the one obtained for low-redshift QSOs. Investigating the existence of possible correlations amongst optical emission properties, we do not detect the expected anti-correlation between the EW and the QSO continuum luminosity (Baldwin effect) for the high ionization lines (NV & SiIV+OIV]). We show that a strong correlation holds between the line FWHM and its luminosity. Given the narrow distribution of Eddington ratios that characterizes the z~6 QSOs population, this implies that QSOs with brighter lines are the ones that host more massive BHs. We further confirm this statement by testing the relation between the line luminosity and MBH. Finally we use our optical spectra to study the ionization state of the IGM at high redshift, by measuring the evolution of the near zone (NZ) sizes and that of the Gunn Peterson (GP) effective optical depth. Our comprehensive analysis shows that the correlation between the NZ radii and the QSO systemic redshifts is significantly reduced with respect to previous results. This implies that changes of the IGM ionization state are difficult to constrain through such measurements. We also outline a new method to detect the evolution of the GP effective optical depth through the analysis of the Ly-alpha and Ly-beta flux ratios. For each QSO we build a model based on the SDSS QSO composite spectrum and on the optical depth parametrization of lower-redshift absorbers (z<5.7). Comparing the QSOs flux ratios with the ones obtained from the models we detect a steep increase in the evolution of the effective optical depth.

Translation of abstract (German)

Hoch rotverschobene (z~6) Quasare (QSOs) stellen einzigartige Proben des fru ehen Anwachsens von akkretierenden supermassereichen Schwarzen Loechern (BHs) dar und sind essentiell, um den Ionisationsgrad des Intergalaktischen Mediums (IGM) und dessen chemische Anreicherung zu studieren. Bis heute konnten nur die allerhellsten QSOs studiert werden, zumeist nur in individuellen Studien. In dieser Arbeit praesentieren wir die zum heutigen Zeitpunkt umfassendste einheitliche Analyse von optischen und nah-infraroten (NIR) Spektren von z~6 QSOs. Unser NIR Datensatz umfasst 22 Spektren von QSOs bei 4.5<z<6.45, welcher die MgII und FeII Emissionslinien beinhaltet, inklusive neuer spektroskopischer VLT-ISAAC Beobachtungen von drei leuchtschwachen z~6 SDSS QSOs. Der optische Datensatz besteht aus 26 hoch qualitativen Spektren von QSOs bei 5.70<z<6.45, welcher den Ly-alpha Komplex und die OI+SiII, CII und SiIV+OIV] Emissionsbanden abdeckt. Basierend auf den NIR Spektren schaetzen wir die BH Masse (MBH), den Eddington Faktor und das FeII/MgII Linienverhaeltnis ab, welches eine Abschaetzung der chemischen Anreicherung der ’Broad Line Region’ ermoeglicht. Die QSOs in unserem Datensatz beinhalten BHs mit Massen von ~10^9 Msun welche signifikant schneller Materie akkretieren als ein Vergleichsdatensatz aehnlicher Helligkeit bei niedrigerer Rotverschiebung. Das gemessene FeII/MgII Linienverhaeltnis zeigt keine Veraenderung mit kosmischer Zeit in dem Rotverschiebungsbereich 4.5<z<6.45. Dies legt nahe, dass die QSOs in unserem Datensatz eine Episode von rascher Fe Anreicherung durchlaufen haben. Eine Untersuchung der Wellenlaengenverschiebung des in den meisten optischen Spektren sichtbaren OI+SiII Komplex liefert uebereinstimmende Werte mit denen der MgII Linie, die typischerweise eine velaessliche Bestimmung der Rotverschiebung von QSOs erlaubt. Wir erstellen ein ’Template’ fuer ein z~6 QSO Spektrum, welches fuer Wellenlaengen laenger als die von Ly-alpha bemerkenswerterweise den Spektren von QSOs geringerer Rotverschiebung aehnelt. Eine Untersuchung zum Vorhandensein moeglicher Korrelationen zwischen optischen Emissionsbanden ergibt, dass wir die erwartete Antikorrelation (Baldwin Effekt) zwischen Aequivalentbreite (EW) und QSO Kontinuumshelligkeit von hoch-ionisierten Linien (NV & SiIV+OIV]) nicht bestaetigen koennen. Dafuer zeigen wir, dass eine starke Korrelation zwischen Linienbreite (FWHM) und Linienhelligkeit besteht. Die geringe Streuung der Eddington Faktoren, welche fuer die z~6 QSO Population typisch ist,impliziert dass QSOs mit helleren Linien die Objekte sind, welche BHs groesserer Masse beheimaten. Darueberhinaus koennen wir diese Aussage durch einen Vergleich von Linienhelligkeit und MBH bestaetigen. Schließlich nutzen wir unsere optischen Spektren, um den Ionisationsgrad des IGM bei hoher Rotverschiebung zu studieren, indem wir die Evolution der Groeße der ’NearZone' (NZ) und die zeitliche Aenderung der Gunn Peterson (GP) optischen Tiefe messen. Unsere erkenntnisreiche Analyse ergibt, dass die Korrelation zwischen NZ Radien und systemischen QSO Rotverschiebungen im Vergleich zu frueheren Resultaten signifikant schwaecher ist. Dies impliziert,dass Aenderungen des IGM Ionisationsgrads nur schwer durch solche Messungen einzugrenzen sind. Wir zeigen zudem eine neue Methode auf, um die Evolution der GP effektiven optischen Tiefe ueber die Analyse des Ly-alpha und Ly-beta Linienflussverhaeltnisses zu ermitteln. Mit Hilfe des SDSS QSO Kompositspektrums und der optischen Tiefe-Parametrisierung weniger rotverschobener (z<5.7) Absorber modellieren wir jeden QSO einzeln. Der Vergleich der beobachteten QSO Linienflussverhaeltnisse mit denjenigen, die wir den Modellen entnehmen, ergibt ein starkes Anwachsen in der Entwicklung der effektiven optischen Tiefe.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Rix, Prof. Dr. Hans-Walter
Date of thesis defense: 1. December 2011
Date Deposited: 12. Dec 2011 13:57
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Quasars , High-redshift , Emission lines , Black holes , Reionization
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