The Physical Properties and Cosmic Environments of Quasars in the First Gyr of the Universe Chiara Mazzucchelli Max-Planck-Institut für Astronomie Heidelberg 2018 Dissertation in Astronomy submitted to the Combined Faculties of the Natural Science and Mathematics of the Ruperto-Carola-University of Heidelberg, Germany for the degree of Doctor of Natural Sciences put forward by Chiara Mazzucchelli born in Gallarate, Italy Oral examination: 12 July 2018 The Physical Properties and Cosmic Environments of Quasars in the First Gyr of the Universe Chiara Mazzucchelli Max-Planck-Institut für Astronomie Referees: Prof. Dr. Hans-Walter Rix Prof. Dr. Jochen Heidt Abstract Luminous quasars at redshift z &6, i.e. .1 Gyr after the Big Bang, are formidable probes of the early universe, at the edge of the Epoch of Reionization. These sources are predicted to be found in high–density peaks of the dark matter distribution at that time, surrounded by overdensities of galaxies. In this thesis, we present a search for and study of the most distant quasars, from the properties of their innermost regions, to those of their host galax- ies and of their Mpc–scale environments. We search for the highest redshift quasars in the Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System 1 (Pan-STARRS1, PS1), discovering six new objects at z &6.5. Using optical/near–infrared spectroscopic data, we perform a homo- geneous analysis of the properties of 15 quasars at z& 6.5. In short : 1) The majority of z &6.5 show large blueshifts of the broad CIV 1549 Å emission line, suggesting the presence of strong 9 winds/outflows; 2) They already host supermassive black holes (∼ 0.3 − 5 × 10 M ) in their centers, which are accreting at a rate comparable to a luminosity–matched sample at z ∼1; 3) No evolution of the Fe II/Mg II abundance ratio with cosmic time is observed; 4) The sizes of their surrounding ionized bubbles weakly decrease with redshift. We present new millime- ter observations of the dust continuum and of the [CII] 158 mm emission line (one of the main coolant of the intergalactic medium) in the host galaxies of four quasars, providing new accu- rate redshifts and [CII]/infrared luminosities. We study the Mpc–scale environment of a z ∼5.7 quasar, via observations with broad– and narrow–band filters. We recover no overdensities of galaxies. Among the potential explanations for these findings, are that the ionizing radia- tion from the quasar prevents galaxy formation, the sources in the fields are dust–obscured, or quasars do not live in the most massive dark matter halos. Finally, we report sensitive optical/near–infrared follow–up observations of gas–rich companion galaxies to four quasars at z &6, firstly detected with the Atacama Large Millimeter Array (ALMA). With the exception of one source, we detect no emission from the stellar population of these galaxies. Our limits on 10 −1 their stellar masses (< 10 M ) and unobscured star formation rates (<few M yr ) suggest that the companions are highly dust obscured and/or harboring a modest stellar content. In synthesis, in this thesis we show the large range of parameters of the most distant quasars, and the variety of their environments, with the aim of shading light on massive galaxy and black hole formation in the first Gyr of the universe. Zusammenfassung Leuchtstarke Quasare bei Rotverschiebungen z &6, also <1 Gyr nach dem Urknall, eignen sich wunderbar, um das frühe Universum zu untersuchen, kurz nach der Reionisationsepoche. Man vermutet, dass sich diese Objekte in den dichtesten Gebieten der damaligen Verteilung von dunkler Materie angesammelt haben und daher von vielen Galaxien umgeben werden soll- ten. In dieser Arbeit präsentieren wir eine Suche nach den weit entferntesten Quasaren und un- tersuchen die Eigenschaften der Galaxien und die Umgebungen der Quasare. Wir suchen die hoechst rotverschobenen Quasare in der Panoramic Survey Telescope and Rapid Response Sys- tem 1 (Pan-STARRS1, PS1) und finden sechs neue Objekte bei z &6.5. Wir nutzen optische und infrarote Spektren, mit denen wir eine homogene Analyse der Eigenschaften von 15 Quasaren bei z >6,5 durchführen. Unsere Ergebnisse zeigen: 1) Die Mehrheit der Quasare zeigt grosse Verschiebungen zu blauen Wellenlängen der CIV 1549Å Emissionslinie, was auf starke Winde zurueckschliessen lässt. 2) Im Zentrum der Quasare befinden sich super massereiche schwarze 9 Löcher (∼ 0.3 − 5 × 10 M ), die ähnliche Akkretionsraten aufweisen wie Quasare bei z ∼1. 3) Wir finden keine Entwicklung des Verhältnisses von Fe II/Mg II mit zunehmender Rotver- schiebung. 4) Die Größe der sie umgebende ionisierten Zone nimmt leicht ab mit zunehmender Rotverschiebung der Quasare. Zudem präsentieren wir neue Beobachtungen im Millimeter Wellenlängenbereich des Staubs und der [CII] Emissionslinie (welche hauptsächlich für die Kühlung des Intergalaktischen Mediums zuständig ist) in den Galaxien von vier Quasaren, die eine akkurate Bestimmung der Rotverschiebung und der [CII]/infraroten Helligkeiten er- lauben. Wir untersuchen die Umgebung eines Quasars bei z ∼5.7 auf Mpc Skalen durch Beobachtungen von Weit- und Schmalbandfiltern. Wir finden jedoch keine signifikant re- ichere Umgebung an Galaxien. Eine mögliche Erklärung für unsere Ergebnisse ist, dass die ionisierende Strahlung des Quasars die Entstehung von Galaxien verhindert, dass die Galax- ien durch Staub verdeckt sind, oder dass sich Quasare nicht in besonders dichten Regionen befinden. Schlussendlich präsentieren wir optische und infrarote Beobachtungen von gasre- ichen Begleitgalaxien von vier Quasaren bei z &6, die zuerst mit dem Atacama Large Millime- ter Array (ALMA) detektiert wurden. Mit Ausnahme eines Quasars, finden wir keine Emis- sion einer Sternpopulation in diesen Galaxien. Unsere Einschränkungen für die Sternmassen 10 −1 (< 10 M ) und Sternentstehungsraten (< einige M yr ) legen nahe, dass die Begleitgalax- ien stark von Staub verdunkelt werden und/oder nur sehr wenige Sterne beherbergen. Zusam- menfassend lässt sich sagen, dass wir in dieser Arbeit eine weite Spanne an Parameter der weit entferntesten Quasare und deren Umgebungen analysieren, um die Entstehung massereicher Galaxien und schwarzer Löcher im ersten Gyr unseres Universums zu verstehen. ix Publications Part of this work has appeared in the publications: • Mazzucchelli, C., Bañados, E., Venemans, B. P., et al., Physical Properties of 15 Quasars at z &6.5, ApJ, 849, 91 • Mazzucchelli, C., Bañados, E., Decarli, R., et al., No overdensity of Lyman-Alpha Emitting Galaxies around a Quasar at z ∼5.7, ApJ, 834, 83 xi A Mariano xiii Contents 1 Introduction 1 1.1 Elements of Cosmology.................................1 1.1.1 Cosmological Principles and Robertson-Walker Metric...........1 1.1.2 Cosmological Redshift..............................2 1.1.3 Hubble Law and Cosmological Parameters..................3 1.1.4 Age of the Universe...............................3 1.1.5 Cosmological Distances.............................3 Comoving and Proper Distance.........................3 Luminosity Distance...............................4 Angular Diameter Distance...........................4 1.2 The Epoch of Reionization................................5 1.3 The First Galaxies.....................................6 1.4 Quasars: Discovery and Basic Elements........................ 10 1.4.1 The Discovery of the First Quasars....................... 10 1.4.2 Quasars Basic Components........................... 10 1.4.3 Black Hole Masses Estimates.......................... 14 1.5 High–Redshift Quasars.................................. 16 1.5.1 The First Supermassive Black Holes...................... 17 1.5.2 The Host Galaxies of Distant Quasars..................... 19 1.5.3 Quasars as probes of the IGM in the EoR................... 19 1.5.4 Quasars Environments.............................. 21 UV–based Mpc–Scale Observations...................... 21 IR–based kpc–Scale Observations....................... 22 2 Physical Properties of 15 Quasars at z & 6.5 27 2.1 The Pan–STARRS1 Survey................................ 27 2.2 Candidate Selection.................................... 28 2.2.1 Catalog Search.................................. 28 Pan-STARRS1................................... 28 ALLWISE Survey................................. 29 UKIDSS and VHS Surveys............................ 30 DECaLS...................................... 30 2.2.2 Forced photometry on PS1 images....................... 30 2.2.3 SED Fit....................................... 31 2.3 Observations........................................ 32 2.3.1 Imaging and spectroscopic confirmation................... 33 2.3.2 Spectroscopic follow-up of z &6.44 quasars.................. 34 2.3.3 NOEMA observations.............................. 38 xiv 2.4 Individual notes on six new quasars from PS1.................... 40 2.5 Analysis.......................................... 41 2.5.1 Redshifts...................................... 41 2.5.2 Absolute magnitude at 1450Å.......................... 44 2.5.3 Quasar continuum................................ 44 2.5.4 C IV blueshifts................................... 47 2.5.5 Mg II and Fe II emission modeling........................ 48 2.5.6 Black Hole Masses................................ 53 2.5.7 Black Hole Seeds................................. 58 2.5.8 Fe II/ Mg II ..................................... 58 2.5.9 Infrared and [CII] luminosities in Quasar Host Galaxies........... 61 2.5.10 Near Zones.................................... 66 2.6 Discussion and Summary...............................