Title (eng)
The evolution of atomically-cooled primordial haloes
Parallel title (deu)
Entwicklung von atomar-gekühlten primordialen Haloes
Author
Anna Schrenk
Advisor
Bodo Ziegler
Assessor
Bodo Ziegler
Abstract
Die Entdeckung supermassereicher Quasare bei einer Rotverschiebungen von z > 7 (Mortlock et al. (2011); Bañados et al. (2018); Matsuoka et al. (2019); Yang et al. (2020); Wang et al. (2021)), stellt einige Fragen in Bezug zu ihrer Entwicklung auf. Ein mögliches Entstehungs Scenario sind durch atomaren Wasserstoff gekühlte Haloes die einer hohen Lyman Werner (LW) UV Strahlung ausgesetzt sind. Derartige Bedingungen unterdrücken die Bildung von kleineren Strukturen, unter anderem Sterne, bis die Haloes genug Masse aufbauen können um supermassereiche Objekte zu formen in dem sie molekularen Wasserstoff H 2 komplett unterdrücken bzw zerstören. Diese exotischen Bedingungen waren im frühen Universum jedoch wahrscheinlich sehr selten. Daher hat diese Masterarbeit das Ziel, die Entwicklung von atomar gekühlten Halos die einer LW Hintergrundstrahlung von 10 5 J 21 ausgesetzt sind, zu untersuchen. Des Weiteren, wird H 2 -Selbstabschirmung mit hinzugenommen um realistischere Ergebnisse zu erzielen. Wir führen kosmologische Zoom-in-Simulationen mit dem gitterbasierten hybrid adaptiven Netz-Verfeinerungscode (AMR) Enzo (Bryan et al. (2014)) auf dem High-Performance-Computing-Cluster SCIAMA am ICG Portsmouth, UK durch. Anfangsbedingungen werden von MUSIC (Hahn and Abel (2011)) bestimmt. Anschließend werden acht Halos von z = 200 bis 2 - 5 Millionen Jahre nach ihrem katastrophalen Baryonenkollaps entwickelt. Für 15 Verfeinerungsstufen wird eine maximale Rasterauflösung (grid resolution) von 256^3 eingesetzt, mit drei zusätzlich Überlagerten nested grids (je 256^3 ) auf einem Ziel-Halo. H 2 Selbstabschirmung wird mit der Sobolev-ähnlichen Näherung aus (Wolcott-Green et al. (2011)) berechnet. Simulationsdaten werden dann mit dem Open-Source-Code yt Turk et al. (2011) visualiziert und erforscht. Unsere Ergebnisse zeigen, das H 2 bei genügend großen Dichten in der Lage ist, sich selbst vor sogar extremer LW Strahlung zu schützen und in Halo Zentren zu überleben. Dort umgibt das H 2 -reiche Gas einen heißen zentralen Kern, der durch Lyα gekühlt wird, während es selbst in ein heißes, atomar gekühltes Medium eingebettet ist. Die von uns berechneten Akkretionsraten sind etwas geringer als bei rein Lyα-gekühlten Halos, mit Durchschnittswerten von 0.026 - 0.1 M⊙ yr^ −1 und Maxima von bis zu 1.78 M ⊙ yr ^−1 . Die insgesammt hierbei akkumulierten Massen innerhalb der approximierten 0.136pc Kugel liegen zwischen 0.5 - 3 ×10 5 M ⊙ , was zur Bildung von zwei Arten von Sternen mit Massen zwischen 10^3 − 10 5^M ⊙ führt. Zum einen sind das kompakte, blaue massive Sterne und zum anderen rote, kalte supermassereiche Sterne. In Abhängigkeit von der spezifischen Akkretionsgeschichte sind sie wahrscheinlich nicht die Vorläufer der super-massiven Quasare mit 10^9 M ⊙ bei z > 7, stellen jedoch möglicherweise eine neue Population von schwarzen Löchern mittlerer Masse dar.
Abstract
Seeds for the first super-massive quasars in our Universe are thought to have formed in atomically-cooled haloes subjected to immense Lyman Werner (LW) UV backgrounds, as they are able to form objects high enough in mass by suppressing star formation and fragmentation in their centers until reaching the super-massive regimes. Such unusually high LW backgrounds are needed to completely destroy H 2 and therefore prevent the fragmentation and formation of smaller structures. However, such exotic conditions would have been very rare in the early Universe. Therefore, this thesis aims to study the evolution of atomically-cooled haloes immersed in a 10^5 J21 LW background with enabled H2 self-shielding, as intermediate LW backgrounds that allow H2 to survive in halo centers would have been more common in the early Universe. We perform cosmological zoom-in simulations with the grid-based hybrid adaptive mesh refinement code Enzo (Bryan et al. (2014)) on the high-performance computing cluster SCIAMA at the ICG Portsmouth, UK. Initial conditions are generated by MUSIC (Hahn and Abel (2011)) and are laying the base on which subsequently eight designated haloes are evolved from z = 200 until 2 - 5 Myr after their catastrophic baryon collapse. A top grid resolution of 256^3 is enforced, with three additional nested grids (256^3 each) on a target halo, for 15 levels of refinement. H2 self-shielding is calculated with the Sobolev-like approximation from (Wolcott-Green et al. (2011)). Data is then processed using the community developed, open source code yt Turk et al. (2011). We find that H 2 is able to self-shield against the highest LW backgrounds, surviving in halo centers. There it surrounds a hot central core that is cooled through Lyα, while itself being embedded in a hot, atomically-cooled medium. Accretion rates are somewhat lower than for pristine Lyα cooled haloes, having average values of 0.026 - 0.1 M⊙ yr^−1 with peaks of up to 1.78 M ⊙ yr ^−1 . The total accumulated masses inside the 0.136 pc tally sphere lie between 0.5 - 3×10 5 M ⊙ , leading to the formation of two types of stars with masses between 10^3 − 10^5 M ⊙ , either compact, blue supergiants or cool, red super-massive stars. Depending on the specific accretion history, they might not be the progenitors of the most massive quasars at z > 7, yet potentially present a new population of intermediate mass black holes.
Keywords (deu)
HaloKosmologische Simulation
Keywords (eng)
Haloatomic coolingH2 self-shieldingSMBH Cosmological Simulation
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1603228
rdau:P60550 (deu)
ix, 92 Seiten : Illustrationen
Number of pages
104
Association (deu)
Title (eng)
The evolution of atomically-cooled primordial haloes
Parallel title (deu)
Entwicklung von atomar-gekühlten primordialen Haloes
Author
Anna Schrenk
Abstract
Die Entdeckung supermassereicher Quasare bei einer Rotverschiebungen von z > 7 (Mortlock et al. (2011); Bañados et al. (2018); Matsuoka et al. (2019); Yang et al. (2020); Wang et al. (2021)), stellt einige Fragen in Bezug zu ihrer Entwicklung auf. Ein mögliches Entstehungs Scenario sind durch atomaren Wasserstoff gekühlte Haloes die einer hohen Lyman Werner (LW) UV Strahlung ausgesetzt sind. Derartige Bedingungen unterdrücken die Bildung von kleineren Strukturen, unter anderem Sterne, bis die Haloes genug Masse aufbauen können um supermassereiche Objekte zu formen in dem sie molekularen Wasserstoff H 2 komplett unterdrücken bzw zerstören. Diese exotischen Bedingungen waren im frühen Universum jedoch wahrscheinlich sehr selten. Daher hat diese Masterarbeit das Ziel, die Entwicklung von atomar gekühlten Halos die einer LW Hintergrundstrahlung von 10 5 J 21 ausgesetzt sind, zu untersuchen. Des Weiteren, wird H 2 -Selbstabschirmung mit hinzugenommen um realistischere Ergebnisse zu erzielen. Wir führen kosmologische Zoom-in-Simulationen mit dem gitterbasierten hybrid adaptiven Netz-Verfeinerungscode (AMR) Enzo (Bryan et al. (2014)) auf dem High-Performance-Computing-Cluster SCIAMA am ICG Portsmouth, UK durch. Anfangsbedingungen werden von MUSIC (Hahn and Abel (2011)) bestimmt. Anschließend werden acht Halos von z = 200 bis 2 - 5 Millionen Jahre nach ihrem katastrophalen Baryonenkollaps entwickelt. Für 15 Verfeinerungsstufen wird eine maximale Rasterauflösung (grid resolution) von 256^3 eingesetzt, mit drei zusätzlich Überlagerten nested grids (je 256^3 ) auf einem Ziel-Halo. H 2 Selbstabschirmung wird mit der Sobolev-ähnlichen Näherung aus (Wolcott-Green et al. (2011)) berechnet. Simulationsdaten werden dann mit dem Open-Source-Code yt Turk et al. (2011) visualiziert und erforscht. Unsere Ergebnisse zeigen, das H 2 bei genügend großen Dichten in der Lage ist, sich selbst vor sogar extremer LW Strahlung zu schützen und in Halo Zentren zu überleben. Dort umgibt das H 2 -reiche Gas einen heißen zentralen Kern, der durch Lyα gekühlt wird, während es selbst in ein heißes, atomar gekühltes Medium eingebettet ist. Die von uns berechneten Akkretionsraten sind etwas geringer als bei rein Lyα-gekühlten Halos, mit Durchschnittswerten von 0.026 - 0.1 M⊙ yr^ −1 und Maxima von bis zu 1.78 M ⊙ yr ^−1 . Die insgesammt hierbei akkumulierten Massen innerhalb der approximierten 0.136pc Kugel liegen zwischen 0.5 - 3 ×10 5 M ⊙ , was zur Bildung von zwei Arten von Sternen mit Massen zwischen 10^3 − 10 5^M ⊙ führt. Zum einen sind das kompakte, blaue massive Sterne und zum anderen rote, kalte supermassereiche Sterne. In Abhängigkeit von der spezifischen Akkretionsgeschichte sind sie wahrscheinlich nicht die Vorläufer der super-massiven Quasare mit 10^9 M ⊙ bei z > 7, stellen jedoch möglicherweise eine neue Population von schwarzen Löchern mittlerer Masse dar.
Abstract
Seeds for the first super-massive quasars in our Universe are thought to have formed in atomically-cooled haloes subjected to immense Lyman Werner (LW) UV backgrounds, as they are able to form objects high enough in mass by suppressing star formation and fragmentation in their centers until reaching the super-massive regimes. Such unusually high LW backgrounds are needed to completely destroy H 2 and therefore prevent the fragmentation and formation of smaller structures. However, such exotic conditions would have been very rare in the early Universe. Therefore, this thesis aims to study the evolution of atomically-cooled haloes immersed in a 10^5 J21 LW background with enabled H2 self-shielding, as intermediate LW backgrounds that allow H2 to survive in halo centers would have been more common in the early Universe. We perform cosmological zoom-in simulations with the grid-based hybrid adaptive mesh refinement code Enzo (Bryan et al. (2014)) on the high-performance computing cluster SCIAMA at the ICG Portsmouth, UK. Initial conditions are generated by MUSIC (Hahn and Abel (2011)) and are laying the base on which subsequently eight designated haloes are evolved from z = 200 until 2 - 5 Myr after their catastrophic baryon collapse. A top grid resolution of 256^3 is enforced, with three additional nested grids (256^3 each) on a target halo, for 15 levels of refinement. H2 self-shielding is calculated with the Sobolev-like approximation from (Wolcott-Green et al. (2011)). Data is then processed using the community developed, open source code yt Turk et al. (2011). We find that H 2 is able to self-shield against the highest LW backgrounds, surviving in halo centers. There it surrounds a hot central core that is cooled through Lyα, while itself being embedded in a hot, atomically-cooled medium. Accretion rates are somewhat lower than for pristine Lyα cooled haloes, having average values of 0.026 - 0.1 M⊙ yr^−1 with peaks of up to 1.78 M ⊙ yr ^−1 . The total accumulated masses inside the 0.136 pc tally sphere lie between 0.5 - 3×10 5 M ⊙ , leading to the formation of two types of stars with masses between 10^3 − 10^5 M ⊙ , either compact, blue supergiants or cool, red super-massive stars. Depending on the specific accretion history, they might not be the progenitors of the most massive quasars at z > 7, yet potentially present a new population of intermediate mass black holes.
Keywords (deu)
HaloKosmologische Simulation
Keywords (eng)
Haloatomic coolingH2 self-shieldingSMBH Cosmological Simulation
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1604020
Number of pages
104
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