Missing baryons and the large-scale structure of the universe

Abstract

Me teame praegu üsna hästi, kui palju tavalist ainet (st barüone) peab universumis olema: umbes viis protsenti kogutihedusest. Ülejäänu on salapärane tume aine ja tumeenergia. Kuid üllatavalt, meie lähi- universumis on ka ligikaudu pool barüonidest jäänud senini vaatlustes tabamata. Seda erinevust oodatava ja reaalselt vaadeldud barüonide osakaalude vahel nimetatakse puuduvate barüonide probleemiks.

Kuna puuduvate barüonide tekitatav vaatluslik signaal jääb allapoole meie instrumentide tundlikkuse läve, siis tundub vastuolu olevat eelkõige vaatluslik. Seetõttu kasutasime antud töös puuduolevate barüonide jaotuse ja termodünaamiliste omaduste teoreetiliseks uurimiseks kosmoloogilist numbrilist simulatsiooni EAGLE. Varasemates teoreetilistes uuringutes oli saadud, et puudu olevad barüonid asuvad kosmilistes filamentides olevas kuumas galaktikatevahelises gaasis. Me jätkasime neid töid, kasutades filamentide võrgustiku leidmiseks erinevaid algoritme, näiteks Bisous meetodit. Seejärel kirjeldasime sel viisil leitud filamentides paiknevat kuuma galaktikavahelist gaasi. Arvestades, et galaktikad ja galaktikatevaheline gaas eksisteerivad üheskoos nendes samades suuremastaabilise struktuuri elementides, uurisime lisaks ka simulatsioonides genereeritud galaktikate heleduste jaotust. See võimaldas meil saada optimaalse filamentide valimi, kus puuduvate barüonide tihedused olid suurimad. Ehk sisuliselt, parimad kohad praegu veel vaatluslikult leidmata tavalise aine otsimiseks on filamentide südamikud, mis asuvad suure galaktikate heledustiheduse piirkondades.

Töös uurisime ka võimalust kasutada puuduvate barüonide leidmiseks kõrgelt ioniseeritud hapnikku. Kuna OVII on vaadeldav röntgen- lainepikkustel, on seda iooni võimalik kasutada kuuma galaktikavahelise gaasi leidmiseks. Kahjuks ei olnud meie EAGLE simulatsiooni uuringu tulemuste põhjal filamentides piisavalt kogus OVII ioone, et leida puuduvaid barüone. Sellegipoolest on meie töös saadud tulemustest kosmiliste filamentide puuduvate barüonide ja OVII jaotuse kohta abi tulevaste röntgenvaatluste planeerimisel.

Currently, we have a good understanding of how much ordinary matter (i.e. baryons) there is in the Universe: ~5%. The rest are the mysterious dark matter and energy. However, in the nearby Universe, half of the baryons remain unobserved. This discrepancy between the expected and observed baryon fractions is known as the problem of the missing baryons.

Since the observational signal of the missing baryons falls below the sensitivity of our instruments, the problem is seemingly of an observational nature. Thus, we used the cosmological simulation EAGLE to gain theoretical understanding of the distribution and thermodynamic properties of the missing baryons. Earlier theorethical studies concluded that the missing baryons are in the hot intergalactic gas, residing within cosmic filaments. We continued upon this by applying algorithms, such as the Bisous method, to detect this filamentary network. We then characterised the hot intergalactic gas within the detected filaments. In addition, given that galaxies and the intergalactic gas co-exist in the same large-scale structures, we studied the distribution of the luminosities of simulated galaxies. This allowed us to select a sample of optimal filaments, containing the highest densities of missing baryons. In essence, the best regions to search for the yet unobserved ordinary matter is in the cores of filaments, located in regions with a high density of galaxy luminosity.

Finally, we studied the prospect of using highly ionised Oxygen to trace the missing baryons. Being observable in the X-ray range, OVII is a candidate to track the hot intergalactic gas. Unfortunately, based on our results on the EAGLE simulation, there is not enough OVII in filaments to trace the missing baryons. Nonetheless, the results presented in our work on the distribution of both the missing baryons and OVII within cosmic filaments will aid in planning future X-ray observations.