English Title: Modelling Three Dimensional Radiation Fields In The Early Universe

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Abstract

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Modellierung von dreidimensionalen Strahlungsfeldern in Gaswolken aus dem frühen Universum, wobei insbesondere der Einfluß unterschiedlicher Verteilungen der Dichte und der Geschwindigkeit im Zentrum der Untersuchung stehen. Solche Gaswolken stellen hoch-rotverschobene Objekte dar, für die in den meisten Fällen nur der Ly-alpha Übergang des Wasserstoffatoms vom ersten angeregten Niveau zum Grundzustand als einzige prominente Emissionslinie im Spektrum beobachtet wird. Da man annimmt, daß diese Wasserstoffwolken Vorläufer heutiger Galaxien sind, ist die Behandlung des Ly-alpha Linientransports für das Verständnis von Entstehung und Entwicklung der Galaxien im frühen Universum von großer Bedeutung. Das beobachtete Profil dieser Linie erlaubt Rückschlüsse sowohl auf die Komplexität der räumlichen Verteilung und die Kinematik des interstellaren Gases als auch auf die Natur der Photonenquelle. Zur Untersuchung dieser Konfigurationen wurde ein Code entwickelt, der die dreidimensionale, frequenzabhängige Strahlungstransportgleichung für beliebige nicht-relativistisch bewegte Medien löst. Die numerische Behandlung einer solchen partiellen Integro-Differentialgleichung stellt eine außerordentlich anspruchsvolle Aufgabe dar, da die Strahlungsintensität von 6 Variablen abhängt, nämlich von den 3 Orts- und 2 Richtungsvariablen sowie von der Frequenz. Zu ihrer Lösung wurden hochgradig effiziente Verfahren implementiert, die die Simulation der oben beschriebenen komplexen Strahlungstransportprobleme mit hinreichender Genauigkeit erlauben, so daß ein quantitativer Vergleich mit Beobachtungsdaten möglich wird. Wegen der Größe der resultierenden Gleichungssysteme wurden Parallelisierungs- und Gitterverfeinerungsstrategien angewandt.

Translation of abstract (English)

The present work aims at the modelling of three-dimensional radiation fields in gas clouds from the early universe, in particular as to the influence of varying distributions of density and velocity. In observations of high-redshift gas clouds, the Ly-alpha transition from the first excited energy level to the ground state of the hydrogen atom is usually found to be the only prominent emission line in the entire spectrum. It is a well-known assumption that high-redshifted hydrogen clouds are the precursors of present-day galaxies. Thus, the investigation of the Ly-alpha line is of paramount importance for the theory of galaxy formation and evolution. The observed Ly-alpha line -- or rather, to be precise, its profile -- reveals both the complexity of the spatial distribution and of the kinematics of the interstellar gas, and also the nature of the photon source. In this thesis we have developed a code which is capable of solving the three-dimensional frequency-dependent radiative transfer equation for arbitrarily non-relativistically moving media. The numerical treatment of the associated partial integro-differential equation is an extremely challenging task, since radiation intensity depends on 6 variables, namely 3 space variables, 2 variables describing the direction of photon propagation, and the frequency. With the goal of a quantitative comparison with observational data in mind, the implementation of very efficient methods for a sufficiently accurate solution of the complex radiative transfer problems turned out to be a necessity. The size of the resulting linear system of equations makes the use of parallelization techniques and grid refinement strategies indispensable.