The formation of the first galaxies [Elektronische Ressource] / put forward by Thomas H. Greif

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Published 01 January 2009
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D
  
CF  NS  M
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D NS
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M.A.P.TH.G
 : M(G)
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R: P. D. RS.K
P. D. MBZusammenfassung
Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der ersten Sterne auf die Enste
hung und den Eigenschaften der ersten Galaxien. Insbesondere werden die
AuswirkungenvonTurbulenz,ionisierenderStrahlung,Stoßwellenundchemis
cher Anreicherung erlautert.¨ Aufgrund der verbesserten Empfindlichkeit der
nachsten¨ GenerationvonTeleskopenuntersuchenwirdieRekombinationsstrahlung,
Bremsstrahlung und 21 cm Emission der ersten Sterne und Galaxien. Das inte
grierte 21 cm Signal der ersten H  Regionen konnte¨ mit dem geplanten SKA
entschlusselt¨ werden,wohingegendieRekombinationsstrahlungdererstenStern
populationen mithilfe von JWST gesehen werden konnte.¨ Diese Beobachtun
gen sind ein wichtiger Schritt um die Strukturentstehung im fruhen¨ Universum
besserzuverstehen.
Abstract
Theprimaryconcernofthisthesisistounderstandtheformationandproperties
ofthefirstgalaxies,aswellastheinfluenceofthefirststarsintermsofradiative,
mechanicalandchemicalfeedback. Inparticular,weelucidatetheroleofturbu
lence, ionizing radiation by massive Population III stars, mechanical feedback
by highly energetic supernovae, and chemical enrichment. In light of the next
generationofground andspacebasedtelescopes,wederivetheirobservational
signature in terms of recombination radiation, bremsstrahlung and 21 cm emis
sion. Wefindthatthecumulative21cmsignalofthefirstHregionswilllikely
be observable by the planned SKA, while the recombination radiation from the
first starbursts might be observable by JWST. These probes are essential to test
the theoretical framework of the first stars and galaxies and shed some light on
thiselusiveperiodofcosmichistory.DedicatedtomyfamilyContents
1 Introduction 7
2 FromPrimordialFluctuationstotheFormationoftheFirstStars 9
2.1 TheBackgroundUniverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 TheBoltzmannEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 First OrderPerturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 DarkMatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3 Baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.4 PerturbationstotheMetric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 InitialConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 ThePowerSpectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 TheFormationoftheFirstStars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 TheFirstGalaxies: Assembly,CoolingandtheOnsetofTurbulence 21
3.1 NumericalMethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.1 InitialSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 RefinementandSinkParticleFormation . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 FirstGalaxyAssembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1 AtomicCoolingCriterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2 CosmologicalAbundance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.3 AssemblyofAtomicCoolingHalo . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.4 MergerTree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 CoolingandStarFormation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 PopulationIII.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1CONTENTS
3.3.2 PopulationIII.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.3II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.1 TheDevelopmentofTurbulence: HotversusColdAccretion . . . . 41
3.4.2 ShocksandFragmentationProperties . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5 MassiveBlackHoleGrowth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5.1 AccretionRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5.2Luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 LocalRadiativeFeedbackintheFormationoftheFirstProtogalaxies 57
4.1 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.1 CosmologicalInitialConditionsandResolution . . . . . . . . . . . 59
4.1.2 RadiativeFeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.3 SinkParticleFormation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.1 TheFirstHIIregionandLyman WernerBubble . . . . . . . . . . 67
4.2.2 ThermalandChemicalEvolutionoftheGas . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.3 ShieldingofMoleculesbyRelicHIIRegions . . . . . . . . . . . . 70
4.2.4 BlackHoleAccretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.5 HDCoolinginRelicHIIRegions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.6 StarFormationinthePresenceofRadiativeFeedback . . . . . . . 78
4.3 SummaryandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 TheObservationalSignatureoftheFirstHIIRegions 83
5.1 NumericalMethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.1 SimulationSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.2 Ray tracingScheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.3 PhotoionizationandPhotoheating . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.4 PhotodissociationandPhotodetachment . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2 ObservationalSignature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.1 Build upofHIIRegion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.2 RecombinationRadiationfromIndividualHIIRegions . . . . . . . 93
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