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The Early Universe : Probing Primordial Magnetic Fields, Dark Matter Models and the First Supermassive Black Holes

Schleicher, Dominik Reinhold Georg

German Title: Das frühe Universum : Untersuchung von primordialen Magnetfeldern, Modellen dunkler Materie und supermassereichen Schwarzen Löchern

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Abstract

The goal of this work is to better understand the universe between recombination and reionization and to outline new possibilities to explore it in more detail. This concerns the stellar population, the physics of the early universe, and the formation of the first supermassive black holes. With the reionization optical depth from WMAP 5, I derive upper limits for the strength of primordial magnetic fields and dark matter annihilation / decay, as well as constraints for stellar population models. Further constraints can be found from the gamma-ray and neutrino background, which rule out s-wave annihilation of light dark matter. It was shown that future 21 cm observations will constrain primor- dial magnetic fields even further. To improve our understanding of the origin of the first supermassive black holes and their high metallicity, I explore how they can be observed with ALMA and JWST between redshift 5 and 15. For this purpose, I estimated and classified the available observables, and I provide several independent estimates for the expected number of high-redshift black holes. In spite of large model uncertainties, one can expect to find at least a few sources in a solid angle similar to the Hubble-Deep-Field.

Translation of abstract (German)

Das Ziel dieser Arbeit ist, das frühe Universum zwischen Rekombination und Reionisation besser zu verstehen und neue Möglichkeiten aufzuzeigen, es zu erforschen. Dies betrifft die Sternpopulation, die Physik im frühen Universum und die Entstehung der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher. Mit Hilfe der von WMAP 5 gemessene optische Tiefe der Reionisation wurden obere Schranken für die Stärke von primordialen Magnetfeldern sowie die Annihilation und den Zerfall dunkler Materie und Einschränkungen für Modelle der Sternpopulation abgeleitet. Durch den Gammastrahlungs- und Neutrinohintergrund lassen sich weitere Modelleinschränkungen ableiten, die besonders für leichte dunkle Materie signifikant sind. Ferner wurde gezeigt, dass zukünftige 21 cm Beobachtungen wesentlich stärkere Einschränkungen an primordiale Magnetfeldstärken liefern. Um den Ursprung der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher und ihrer hohen Metallizität besser zu verstehen, wurde untersucht, wie sich diese mit ALMA und JWST zwischen Rotverschiebung 5 und 15 beobachten lassen. Hierfür wurden verschiedene Beobachtungsgrößen abgeschätzt und klassifiziert, und die Anzahl der verfügbaren Quellen abgeschätzt. Trotz großer Unsicherheiten ist zu erwarten, dass mindestens drei Quellen in einem Raumwinkel entsprechend dem Hubble-Deep-Field gefunden werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Klessen, Prof. Dr. Ralf S.
Date of thesis defense: 9 June 2009
Date Deposited: 30 Jun 2009 13:35
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > Institute of Theoretical Astrophysics
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Uncontrolled Keywords: Reionization , primordiale Magnetfelder , dunkle Materie , Schwarze Löcher , ALMAreionization , primordial magnetic fields , dark matter , black holes , ALMA
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