German Title: Die Entdeckung und Charakterisierung der entferntesten Quasare

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Abstract

Luminous quasars at high redshift (z>5.5) provide direct probes of the growth of supermassive black holes and their host galaxies at the epoch of cosmic reionization, which is one of the current frontiers of astrophysical research. In this thesis, z>5.5 quasars are studied from different angles. (1) The criteria to identify high-redshift quasars using the Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System 1 (Pan-STARRS1, PS1) survey are presented. These selection criteria have resulted in 54 newly discovered quasars at z>5.5. These new discoveries almost double the number of known z>5.5 quasars and increase the number of quasars at z>6.5 from four to eight. The quasar sample spans a factor of ~20 in luminosity and shows a diverse range of properties, including a number of weak-line and radio-loud quasars. (2) Using the available data in the literature, the radio-loud fraction (RLF) of quasars at z~6 is constrained to RLF=8.1^{+5.0}_{-3.2}%. This result is consistent with a non-evolving RLF of quasars up to z=6. (3) High-redshift quasars are thought to reside in massive dark matter halos and should therefore be located in regions with an overdensity of galaxies. To find such overdensities, the first search for galaxies using narrow-band imaging in the field of a z=5.7 quasar is performed. No overdensity of galaxies is found around the quasar, with the possible implication that high-redshift quasars may not reside in the center of the most massive dark matter halos. (4) A strong [CII] emission line (an effective cooling line of the interstellar medium) in the host galaxy of a PS1-discovered quasar at z=6.54 is reported. This is the brightest quasar known at z>6.5 and given its high rest-frame UV and [CII] luminosities, it has the potential of becoming an important laboratory for the study of star formation and of the interstellar medium only ~800 Myr after the Big Bang. As a final note, the number of quasars at z>5.5 presented in this thesis marks the transition phase from studies of individual sources to statistical studies of the high-redshift quasar population, which was impossible with earlier, smaller samples.

Translation of abstract (German)

Quasare hoher Leuchtkraft bei hohen Rotverschiebungen (z>5,5) ermöglichen eine direkte Überprüfung des Wachstums supermassiver Schwarzer Löcher und deren Heimat-Galaxien zur Zeit der kosmische Reionisation, eines der aktuellen Forschungsthemen im Bereich der Astrophysik. Diese Arbeit betrachtet Quasare mit Rotverschiebungen von z>5,5 unter verschiedenen Gesichtspunkten. (1) Kriterien zur Identifikation hochgradig rotverschobener Quasare mittels der Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System 1 (Pan-STARRS1, PS1) Durchmusterung werden vorgestellt. Diese Selektionskriterien haben zur Entdeckung von 54 neuen Quasaren mit z>5,5 geführt. Diese Neuentdeckungen bedeuten eine annähernde Verdopplung der Anzahl der bekannten Quasare mit z>5,5 und erhöhen die Anzahl der bekannten Quasare mit z>6,5 von vier auf acht. Die Stichprobe der Quasare umfasst einen Faktor von ~20 in Leuchtkraft und weist eine Vielzahl von Eigenschaften auf, unter anderem sind Quasare mit schwachen Linien und radiolaute Quasare enthalten. (2) Unter Verwendung der aus der Literatur zur Verfügung stehenden Daten ist der Anteil der radiolauten Quasaren (radio-loud fraction, RLF) bei z~6 eingegrenzt auf RLF=8,1^{+5,0}_{-3,2}%. Dieses Resultat ist konsistent mit einem konstanten RLF der Quasare bis hin zu z=6. (3) Hochgradig rotverschobene Quasare werden als eingebettet in massive Halos aus dunkler Materie angenommen, und sollten deshalb in Regionen mit einer übergroßen Dichte an Galaxien anzutreffen sein. Es wird hier die erste Arbeit zur Auffindung solche Überdichten mittels Schmalbandaufnahmen in der Umgebung eines Quasars bei z=5,7 präsentiert. In der Umgebung des Quasars wird keine Region übergroßer Galaxiendichte gefunden, was möglicherweise impliziert, dass sich hochgradig rotverschobene Quasare nicht zwingend in den Zentren der massivsten Halos aus dunkler Materie befinden. (4) Eine starke [CII]-Emissionslinie (eine effektive Linie aus Kühlung des interstellaren Mediums) in der Heimat-Galaxie eines mittels PS1 entdeckten Quasars bei z=6,54 wird beschrieben. Hierbei handelt es sich um den leuchtkräftigsten Quasar bei z>6,5. Seine hohe UV und [CII]-Leuchtkraft ermöglicht es, dieses Objekt für Studien der Sternentstehung und des insterstellaren Mediums zu Zeiten von nur ~800 Millionen Jahre nach dem Urknall zu erforschen. Abschließend ist zu sagen, dass die Anzahl der Quasare mit z>5,5, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, einen Übergang von Studien über individuelle Objekte hin zu Studien der Population hochgradig rotverschobener Quasare darstellen, was mit kleineren Stichproben bislang nicht möglich war.