Did galaxies reionize the universe?

The epoch of reionization remains one of the last uncharted eras of cosmic history, yet this time is of crucial importance, encompassing the formation of both the first galaxies and the first metals in the universe. In this thesis, I present four related projects that both characterize the abundance and properties of these first galaxies and uses follow-up observations of these galaxies to achieve one of the first observations of the neutral fraction of the intergalactic medium during the heart of the reionization era.

First, we present the results of a spectroscopic survey using the Keck telescopes targeting 6.3 < z < 8.8 star-forming galaxies. We secured observations of 19 candidates, initially selected by applying the Lyman break technique to infrared imaging data from the Wide Field Camera 3 (WFC3) onboard the Hubble Space Telescope (HST). This survey builds upon earlier work from Stark et al. (2010, 2011), which showed that star-forming galaxies at 3 < z < 6, when the universe was highly ionized, displayed a significant increase in strong Lyman alpha emission with redshift. Our work uses the LRIS and NIRSPEC instruments to search for Lyman alpha emission in candidates at a greater redshift in the observed near-infrared, in order to discern if this evolution continues, or is quenched by an increase in the neutral fraction of the intergalactic medium. Our spectroscopic observations typically reach a 5-sigma limiting sensitivity of < 50 AA. Despite expecting to detect Lyman alpha at 5-sigma in 7-8 galaxies based on our Monte Carlo simulations, we only achieve secure detections in two of 19 sources. Combining these results with a similar sample of 7 galaxies from Fontana et al. (2010), we determine that these few detections would only occur in < 1% of simulations if the intrinsic distribution was the same as that at z ~ 6. We consider other explanations for this decline, but find the most convincing explanation to be an increase in the neutral fraction of the intergalactic medium. Using theoretical models, we infer a neutral fraction of X_HI ~ 0.44 at z = 7.

Second, we characterize the abundance of star-forming galaxies at z > 6.5 again using WFC3 onboard the HST. This project conducted a detailed search for candidates both in the Hubble Ultra Deep Field as well as a number of additional wider Hubble Space Telescope surveys to construct luminosity functions at both z ~ 7 and 8, reaching 0.65 and 0.25 mag fainter than any previous surveys, respectively. With this increased depth, we achieve some of the most robust constraints on the Schechter function faint end slopes at these redshifts, finding very steep values of alpha_{z~7} = -1.87 +/- 0.18 and alpha_{z~8} = -1.94 +/- 0.23. We discuss these results in the context of cosmic reionization, and show that given reasonable assumptions about the ionizing spectra and escape fraction of ionizing photons, only half the photons needed to maintain reionization are provided by currently observable galaxies at z ~ 7-8. We show that an extension of the luminosity function down to M_{UV} = -13.0, coupled with a low level of star-formation out to higher redshift, can fit all available constraints on the ionization history of the universe.

Third, we investigate the strength of nebular emission in 3 < z < 5 star-forming galaxies. We begin by using the Infrared Array Camera (IRAC) onboard the Spitzer Space Telescope to investigate the strength of H alpha emission in a sample of 3.8 < z < 5.0 spectroscopically confirmed galaxies. We then conduct near-infrared observations of star-forming galaxies at 3 < z < 3.8 to investigate the strength of the [OIII] 4959/5007 and H beta emission lines from the ground using MOSFIRE. In both cases, we uncover near-ubiquitous strong nebular emission, and find excellent agreement between the fluxes derived using the separate methods. For a subset of 9 objects in our MOSFIRE sample that have secure Spitzer IRAC detections, we compare the emission line flux derived from the excess in the K_s band photometry to that derived from direct spectroscopy and find 7 to agree within a factor of 1.6, with only one catastrophic outlier. Finally, for a different subset for which we also have DEIMOS rest-UV spectroscopy, we compare the relative velocities of Lyman alpha and the rest-optical nebular lines which should trace the cites of star-formation. We find a median velocity offset of only v_{Ly alpha} = 149 km/s, significantly less than the 400 km/s observed for star-forming galaxies with weaker Lyman alpha emission at z = 2-3 (Steidel et al. 2010), and show that this decrease can be explained by a decrease in the neutral hydrogen column density covering the galaxy. We discuss how this will imply a lower neutral fraction for a given observed extinction of Lyman alpha when its visibility is used to probe the ionization state of the intergalactic medium.

Finally, we utilize the recent CANDELS wide-field, infra-red photometry over the GOODS-N and S fields to re-analyze the use of Lyman alpha emission to evaluate the neutrality of the intergalactic medium. With this new data, we derive accurate ultraviolet spectral slopes for a sample of 468 3 < z < 6 star-forming galaxies, already observed in the rest-UV with the Keck spectroscopic survey (Stark et al. 2010). We use a Bayesian fitting method which accurately accounts for contamination and obscuration by skylines to derive a relationship between the UV-slope of a galaxy and its intrinsic Lyman alpha equivalent width probability distribution. We then apply this data to spectroscopic surveys during the reionization era, including our own, to accurately interpret the drop in observed Lyman alpha emission. From our most recent such MOSFIRE survey, we also present evidence for the most distant galaxy confirmed through emission line spectroscopy at z = 7.62, as well as a first detection of the CIII]1907/1909 doublet at z > 7.

We conclude the thesis by exploring future prospects and summarizing the results of Robertson et al. (2013). This work synthesizes many of the measurements in this thesis, along with external constraints, to create a model of reionization that fits nearly all available constraints.

Adesão dos cimentos Epiphany SE e iRoot SP: Resistência à tração e mapeamento dentinário por microscopia digital

O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da microestrutura dentinária na adesão de cimentos endodônticos modernos através: do desenvolvimento de uma metodologia para caracterizar microestruturalmente a dentina; da avaliação da resistência de união (através de ensaios de tração) dos cimentos endodônticos Epiphany SE, iRoot SP e AH Plus; da correlação dos dados obtidos da caracterização da microestrutura dentinária e dos ensaios de tração. Trinta terceiros molares inclusos, recém extraídos, foram embutidos em resina epóxi e seccionados 0,5mm abaixo da junção esmalte-dentina. Doze amostras foram eliminadas durante à preparação metalográfica devido à exposição da câmara pulpar. De cada dente, uma área de análise (AA) com 3,25 mm de diâmetro foi mapeada utilizando técnicas de microscopia ótica digital para: captura de ~400 imagens formando um mosaico; análise digital de imagens, obtendo os resultados de quantidade de túbulos (QT) e de fração de área de túbulos (FAT) do mosaico; conversão da imagem do mosaico em um mapa colorido em que as cores estão diretamente relacionadas à densidade de área tubular. As dezoito amostras restantes foram divididas em 3 grupos (N=6), de acordo com o cimento utilizado, para confecção dos corpos de prova para os ensaios de tração. Os valores de da resistência de união (RU) obtidos foram analisados estatisticamente com teste não-pareado t com correção de Welch e pelo teste F para comparar variâncias Os dados de FAT e de QT foram submetidos ao teste de D'Agostino & Pearson revelando-se não normais (P>0,05), o que indica grande variabilidade da amostragem. O cimento Epiphany SE apresentou uma resistência de união significativamente menor que o cimento AH Plus (P <0,05). Os corpos de prova do iRoot SP falharam prematuramente e não foram analisados. A aplicação do teste r de Spearman não demonstrou correlação significativa entre FAT e RU (P>0,05). O MEV de pressão variável foi utilizado para avaliar qualitativamente a superfície de fratura após os ensaios de tração. A análise revelou um padrão de fratura mista para o AH Plus e o Epiphany SE, além de diferenças no tamanho e na forma das partículas desses cimentos, o que pode influenciar no comportamento mecânico. Dentro da amostragem realizada, não se encontrou correlação significativa entre microestrutura dentinária e a resistência de união.

Battery-Powered RF Pre-Ionization System for the Caltech Magnetohydrodynamically-Driven Jet Experiment: RF Discharge Properties and MHD-Driven Jet Dynamics

This thesis describes investigations of two classes of laboratory plasmas with rather different properties: partially ionized low pressure radiofrequency (RF) discharges, and fully ionized high density magnetohydrodynamically (MHD)-driven jets. An RF pre-ionization system was developed to enable neutral gas breakdown at lower pressures and create hotter, faster jets in the Caltech MHD-Driven Jet Experiment. The RF plasma source used a custom pulsed 3 kW 13.56 MHz RF power amplifier that was powered by AA batteries, allowing it to safely float at 4-6 kV with the cathode of the jet experiment. The argon RF discharge equilibrium and transport properties were analyzed, and novel jet dynamics were observed.

Although the RF plasma source was conceived as a wave-heated helicon source, scaling measurements and numerical modeling showed that inductive coupling was the dominant energy input mechanism. A one-dimensional time-dependent fluid model was developed to quantitatively explain the expansion of the pre-ionized plasma into the jet experiment chamber. The plasma transitioned from an ionizing phase with depressed neutral emission to a recombining phase with enhanced emission during the course of the experiment, causing fast camera images to be a poor indicator of the density distribution. Under certain conditions, the total visible and infrared brightness and the downstream ion density both increased after the RF power was turned off. The time-dependent emission patterns were used for an indirect measurement of the neutral gas pressure.

The low-mass jets formed with the aid of the pre-ionization system were extremely narrow and collimated near the electrodes, with peak density exceeding that of jets created without pre-ionization. The initial neutral gas distribution prior to plasma breakdown was found to be critical in determining the ultimate jet structure. The visible radius of the dense central jet column was several times narrower than the axial current channel radius, suggesting that the outer portion of the jet must have been force free, with the current parallel to the magnetic field. The studies of non-equilibrium flows and plasma self-organization being carried out at Caltech are relevant to astrophysical jets and fusion energy research.

Fibroblastos gengivais humanos em co-cultura com Aggregatibacter actinomycetemcomitans lisogênico induzem a liberação de fago

A relação entre bacteriófagos e virulência bacteriana é um modelo muito intrigante e pouco estudado na patogênese periodontal, uma vez que um patógeno periodontal pode ser lisogênico. O objetivo do nosso estudo é determinar a capacidade de fibroblastos gengivais humanos de induzir as cepas lisogênicas de Aggregatibacter actinomycetemcomitans. Dois experimentos foram realizados seguidos da titulação de fago. Os experimentos consistiram da co-cultura com fibroblastos gengivais humanos e três cepas de Aa [Aa29524, Aa2112, Aa29524(Ø2112)], não lisogênica, lisogênica e lisogênica induzida em laboratório, respectivamente. Em três momentos distintos (no experimento 1: 0, 2 e 4 horas; e no experimento 2: 2, 4 e 6 horas), o sobrenadante da co-cultura foi filtrado e cultivado overnight com a bactéria indicadora (Aa29524) e analisado para a capacidade de lisar a célula indicadora. Em ambos os experimentos, o sobrenadante da co-cultura de fibroblastos gengivais humanos com Aa lisogênico e Aa lisogênico induzido em laboratório, ao ser cultivado com a bactéria indicadora, promoveu lise da mesma, resultando no aumento da produção de fago. Pode-se concluir que, nesse estudo os fibroblastos gengivais humanos foram capazes de induzir cepas lisogênicas de Aggregatibacter actinomycetemcomitans.

Estudos dos polimorfismos dos genes da apolipoproteína E (ApoE) e do receptor de LDL (RLDL - A370T) em indivíduos jovens pertencentes ao estudo do Rio de Janeiro em seguimento de 28 Anos

Estudos demonstram a associação de alterações da apolipoproteína E (ApoE) e do receptor do LDL (RLDL) com a ocorrência de doenças cardiovasculares e dislipidemia. O objetivo principal deste trabalho foi investigar a associação entre genótipos diferenciais da ApoE e do RLDL com a persistência de alterações de variáveis lipídicas em indivíduos jovens acompanhados há 28 anos no Estudo do Rio de Janeiro (ERJ). Através de um estudo longitudinal, tipo coorte, investigou-se 56 indivíduos (35M) em três avaliações. Em A1 (13.301.53 anos), A2 (22.091.91 anos) e A3 (31.231.99). Nas três ocasiões foi realizada avaliação clínica. Em A2 e A3 foram dosados colesterol total, HDL, LDL e triglicerídeos. Em A3 acrescentou-se o estudo dos polimorfismos genéticos da ApoE e do RLDL. Os fragmentos de interesse neste estudo foram amplificados por PCR (polymerase chain reaction) e os genótipos foram identificados através de reações de restrição. As frequências genotípicas de ApoE foram ε3/ε3 (62,5%), ε3/ε4 (25%), ε2/ε3 (5,4%) ,ε2/ε4 (5,4%) e ε4/ε4 (1,8%) e para os genótipos de RLDL foram AA (85,7%), AT (12,5%) e TT (1,8%). O genótipo ε2/ε2 não foi observado. A análise da distribuição dos genótipos de ApoE segundo a permanência de dislipidemia mostrou que todos os indivíduos com genótipo de ApoE dos tipos ε2/ε4 e ε4/ε4 mantiveram pelo menos um lípide alterado em A2 e A3 entretanto, todos os indivíduos com genótipo de ApoE do tipo ε2/ε3 não apresentaram lípides alterados em A2 e A3. Para o genótipo do RLDL não houve diferença significativa. Quando analisadas isoladamente, não foi identificado nenhum resultado significativo em A2 e/ou A3 associado a estes genótipos. O polimorfismo do gene da ApoE esteve associado à permanência de dislipidemia em indivíduos jovens acompanhados em estudo de seguimento longitudinal

Influência de pré-tratamentos de células epiteliais com penicilina e eritromicina na aderência e na viabilidade intracelular de Corynebacterium diphtheriae

A difteria é uma síndrome toxêmica causada pelo Corynebacterium diphtheriae. Embora programas de imunização mantenham a doença sob controle em países desenvolvidos, a difteria ainda permanece endêmica em diversas partes do mundo, especialmente em indivíduos parcialmente imunizados para toxina diftérica. Junto a isso, nos últimos 20 anos, tem-se observado a ocorrência crescente de quadros de infecções sistêmicas causados por cepas atoxinogênicas. A penicilina e eritromicina são as principais drogas de escolha no tratamento destas infecções, entretanto, a escassez de trabalhos reavaliando a terapia de escolha e a influência dos antibióticos no processo de interação bacteriana com células epiteliais humanas são escassos, logo compreendem aspectos que justificam o presente estudo. O objetivo principal deste projeto consiste na análise da influência do pré-tratamento de células epiteliais Hep-2 com os antimicrobianos penicilina e eritromicina na colonização e viabilidade intracelular de amostras de C. diphtheriae. As monocamadas foram submetidas ao tratamento prévio com doses séricas terapêuticas de penicilina (5g mL1) e eritromicina (1,92 g mL1) por 24 horas e os antibióticos foram removidos por lavagens com PBS antes da interação com a suspensão bacteriana (MOI de 107). Três horas após a infecção, o padrão de aderência foi investigado como também, realizada a análise das bactérias viáveis associadas e internalizadas nas monocamadas. O pré-tratamento com penicilina induziu a formação de perfil de aderência difuso (AD) pelas amostras estudadas. Microorganismos que normalmente apresentam padrão de aderência localizado (AL) passaram a expressar perfil (AD) após pré-tratamento das camadas com ambos antimicrobianos. A expressão do tipo agregativo (AA) não foi influenciada pela presença de eritromicina. A penicilina e a eritromicina reduziram o número de bactérias viáveis associadas às células HEp-2 na maioria das oportunidades. Entretanto, a penicilina interferiu em maior magnitude nesse processo. As três amostras invasoras de C. diphtheriae (HC01, HC04 e BR5015), apresentaram maior capacidade de sobrevivência no compartimento intracelular, independente do pré-tratamento. A expressão dos perfis de aderência assim como a capacidade de sobrevivência no compartimento intracelular frente aos antimicrobianos testados mostraram-se independentes da produção de toxina e dos percentuais de associação com as células HEp-2. Foi observada uma maior eficiência da eritromicina na eliminação de bactérias viáveis internalizadas reforçando a utilização clínica da eritromicina tanto no tratamento de pacientes quanto na erradicação do estado de portador. Novos estudos serão desenvolvidos para investigar alterações na expressão de fatores de virulência por amostras de C. diphtheriae na interação com células HEp-2 pré-tratadas com antimicrobianos e a influência sobre a evolução clínica das infecções por corinebactérias

Defects in U3+: CaF2 single crystals grown under different conditions by the temperature gradient technique

Defects in as-grown U3+ : CaF2 crystals grown with or without PbF2 as an oxygen scavenger were studied using Raman spectra, thermoluminescence glow curves, and additional absorption (AA) spectra induced by heating and gamma-irradiation. The effects of heating and irradiation on as-grown U3+: CaF2 crystals are similar, accompanied by the elimination of H-type centers and production of F-type centers. U3+ is demonstrated to act as an electron donor in the CaF2 lattice, which is oxidized to the tetravalent form by thermal activation or gamma-irradiation. In the absence of PbF(2)as an oxygen scavenger, the as-grown U3+:CaF2 crystals contain many more lattice defects in terms of both quantity and type, due to the presence of O2- impurities. Some of these defects can recombine with each other in the process of heating and gamma-irradiation. (c) 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.