Lyman-alpha-Kartographie des intergalaktischen Mediums bei hohen Rotverschiebungen

• Antragsteller: Professor Dr. Lutz Wisotzki
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446330471

Wir schlagen ein Projekt vor zur erstmaligen Messung der Emission des intergalaktischen Mediums bei Rotverschiebungen von 3 bis 6,5 in der Lyman-alpha-Linie (im weiteren kurz: Lya). Dieses Schlüsselexperiment aus der beobachtenden Kosmologie war bislang unmöglich aufgrund der unzureichenden Empfindlichkeit der Instrumente. Wir werden zwei neue und einzigartige Datensätze, die wir mit dem von uns konstruierten Integralfeldspektrographen MUSE erhalten haben, kombinieren mit dem "Intensity Mapping"-Formalismus (IM). Die Beobachtungsdaten bestehen aus dem revolutionären “MUSE eXtremely Deep Field” (MXDF), einer 155 Stunden-Aufnahme mit MUSE in einer einzigen Position am Himmel, sowie mehreren weiteren Langzeitaufnahmen von jeweils 25-30 Stunden Belichtungszeit. Aufbauend auf unserer erfolgreichen Arbeit der letzten Jahre erwarten wir eine bisher noch nie erreichte Empfindlichkeit in Flächenhelligkeit von unter 1 x 10^-21 erg s^-1 cm^-2 arcsec^-2 (1 Standardabweichung für eine einzele Spektrallinie). Für unser wissenschaftliches Hauptziel müssen wir mehrere damit verbundene, aber weitgehend unabhängige Fragen beantworten, von denen jede für sich bereits wichtige Erkenntnisgewinne erbringen wird: (1) Der Beitrag von Emissionslinienobjekten bei niedrigeren Rotverschiebungen zum IM-Signal muss bestimmt und entfernt werden; dazu muss die IM-Methode zusätzlich auch auf andere Spektrallinien wie [OII] oder H-beta angewendet werden. (2) Ebenso muss der Beitrag von schwachen und individuell nicht nachweisbaren Lya-Emittern ermittelt und subtrahiert werden, was eine Neubestimmung der Lya-Leuchtkraftfunktion erfordert, insbesondere ihres schwachen Endes. (3) Schließlich ist auch die Lya-Emission der eigentlichen Galaxien und insbesondere ihrer zirkumgalaktischen Umgebungen zu messen und wiederum zu subtrahieren. Wir werden eigens erstellte kosmologische numerische Simulationen in die Analyse einbeziehen, um die IM-Methodik zu validieren, um uns bei der Trennung der genuin intergalaktischen Emission vom gemessenen Gesamtsignal zu helfen, sowie zur astrophysikalischen Interpretation der Messresultate. Über die Kernziele hinaus sind die Ergebnisse unseres Vorhabens für etliche andere Fragen von Relevanz, beispielsweise für die kosmische Reionisation oder für die Eigenschaften von Lya-Halos um Galaxien bei z>3. Unser Vorhaben unterscheidet sich konzeptionell in mehreren Aspekten von anderen derzeitigen oder geplanten IM-Experimenten: (1) Wir arbeiten direkt mit 3D-spektroskopischen Datenkuben mit vollständiger Flächenabdeckung. (ii) Trotz des kleinen Gesichtsfelds von MUSE ist das erfasste Volumen erheblich aufgrund des breiten Rotverschiebungsbereichs. (iii) Vor allem aber zielt unser Vorhaben darauf ab, den dominanten Anteil des Signals, der von individuellen Galaxien herrührt, abzuziehen, um letztlich und lediglich das schwache Leuchten der extrem verdünnten Materie in weiter Ferne von Galaxien übrig zu behalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Roland Bacon