Determining the CO-to-H2 Conversion Factor in High-Redshift Damped Lyman-alpha Absorption Systems

Abstract

In the cold interstellar medium of galaxies, the universe’s most abundant molecule remains elusive. The homonuclear diatomic nature of molecular hydrogen prompts no dipole moment, merely a quadrupole, ill-excitable under conditions prevalent in cold molecular clouds. Hence, quantifying the abundance of H2 in such environments relies on more luminous proxies, such as CO. Determining the conversion factor between CO and H2 abundances in the local universe has been done robustly by virtue of accurate observations and proximity, while the situation in the early universe remains obscure. Hitherto, precariously extending locally derived relationships over cosmological scales has constituted the best attempts to determine the conversion factor at high redshifts. In this thesis, a direct approach using absorption systems is presented.In section 1, the general characteristics of absorption systems are discussed, and the conversion factor is defined. In section 2, the sample of gamma-ray burst and C i selected quasar Lyman-alpha absorbers, in the redshift range of 1.8 < z < 3.9 and metallicity range of −1.6 < [X/H] < 0.5, is introduced. After which, the sample is dust-corrected and a mathematical model for determining the conversion factor from CO and H2 column densities is presented. In section 3, a method for fitting the upper limits of the CO column densities by maximizing a likelihood function, is introduced, and in section 4, the observed CO-to-H2 ratios and resulting conversion factors are presented as functions of metallicity. The ratios are found to be much smaller than what has been inferred by emission-based observations, eliciting a conversion factor of an order of magnitude higher than what is generally quoted for solar metallicities.In section 5, the robustness of the fitting process is discussed, and previously deployed methods for inferring the conversion factor at high redshifts: emission-based CO observations coupled with dust and star formation rates as tracers of H2 abundances, are reviewed. After which, the nature and origin of the conversion factor’s metallicity dependence are discussed from both theoretical and observational perspectives, and the results are compared with those found in the literature.In section 6, a summary is given, along with conclusions and outlook. The main conclusions are that the abundance of CO, compared to H2, is generally smaller in damped Lyman-alpha absorption systems than what is found in the local universe or elsewhere, as inferred through emission-based observations. If this is found not to be a strict property of absorption systems or caused by a selection bias, it implies that cosmic ray and X-ray ionisation rates are higher in the early universe, establishing that a locally derived conversion factor is not applicable to high redshift galaxies and demonstrating the advantage of using absorption-based observations to directly measure abundances in the early universe.

Í köldu miðgeimsefni vetrarbrauta, lætur algengasta sameind alheims lítið fyrir sér fara. Án tvípólsvægis reynist vetnisgasi erfitt að örvast undir þeim kringumstæðum sem fyrirfinnast í sameindaskýjum. Þar af leiðandi þarf að treysta á bjartari sporefni, líkt og CO, til að ákvarða magn vetnisgass í vetrarbrautum. Ákvörðun umreiknistuðuls milli CO og H2 magns í grenndinni hefur reynst árangursrík sökum nákvæmra mælinga og nándar, en aðstæður í hinum unga alheimi reynast óskýrar. Hingað til hafa vafasamar framreiknanir sambanda, leidd út í nærumhverfi, yfir heimsfræðilegar fjarlægðir, staðið fyrir bestu tilraunum til að ákvarða umreiknistuðulinn við há rauðvik. Í þessari ritgerð er kynnt aðferð sem byggir á beinum mælingum eðlismassa út frá gleypilínum gleypikerfa.Í kafla 1 er að finna almenna umfjöllun um gleypikerfi og skilgreiningu umreiknistuðulsins. Í kafla 2 er sýni gammablossa og C i valdra dulstirnis Lyman-alfa gleypikerfa, í rauðviksbili 1.8 < z < 3.9 og þungefnabili −1.6 < [X/H] < 0.5, kynnt til sögunnar. Sýnið er svo leiðrétt af áhrifum ryktæmingar (e. dust depletion) og stærðfræðilíkan umreiknistuðulsins sem byggir á eðlismassa CO og H2 er kynnt. Í kafla 3 er kynnt aðferð við mátun efri greinimarka CO með bestun sennileikafalls og í kafla 4 er umreiknistuðullinn og hlutfall CO og H2 gefin sem föll af þungefnum. Hlutföllin sem hér finnast eru mun minni en það sem hefur fundist með útgeislunarathugunum og þar af leiðandi reynist umreiknistuðullinn mun hærri eða sem nemur heilu tugaþrepi. Í kafla 5 er áræðanleiki mátunarinnar ræddur ásamt öðrum aðferðum við ákvörðun umreiknistuðulsins. Þar á eftir eru eðli og uppruni þungefnahæðis umreiknistuðulsins skoðuð frá bæði fræðilegu og rannsóknarlegu sjónarhorni og niðurstöðurnar bornar saman við niðurstöður annarra.Í kafla 6 eru niðurstöðurnar teknar saman. Þær eru að magn CO, miðað við H2, reynist almennt minna í deyfðum Lyman-alfa gleypikerfum en það sem fyrirfinnst í nærumhverfi okkar og annars staðar sem notast hefur verið við athugun útgeislunar. Ef þetta reynist ekki vera einskorðað við gleypikerfi eða komið til vegna hlutdrægni sýnisins, þá gefur það í skyn að jónun vegna geim- og röntgengeisla sé hærri í hinum unga alheimi sem bendir til að sambönd sem hafa verið leidd út í nærumhverfi okkar eru ekki viðráðandi við há rauðvik og sýnir fram á yfirburði athugana byggðra á gleypilínum við ákvörðun efnismagns í hinum unga alheimi.