För att förstå den vanligaste materien i universum – och de extraordinära saker som händer med den – tog ett Yale-ledda team av astronomer en djupdykning i den kosmiska dimman.

De lärde sig spännande nya detaljer om baryonernas dynamik, samlingen av subatomära partiklar (inklusive protoner och neutroner) som står för mycket av den synliga materien i universum. De flesta baryoner bor i det intergalaktiska mediet (IGM), som är utrymmet mellan galaxer där materia varken är bunden till eller dras på av omgivande system.

I en ny studie, Yale postdoc Nir Mandelker och professor Frank C. van den Bosch rapporterar om den mest detaljerade simuleringen någonsin av en stor del av IGM. För första gången, de kunde se hur kallt, täta gasmoln i IGM organiserar sig och reagerar inom mycket större "ark" eller "pannkakor" av materia i det stora rymden.

Fynden visas i Astrofysiska tidskriftsbrev .

Forskare har i åratal försökt sätta ihop strukturerna och egenskaperna hos IGM - delvis för att testa standardmodellen för Big Bang-kosmologi, som förutspår att 80-90% av baryonerna är med i IGM, men också för att undersöka IGM:s avgörande roll som universums bränslekälla.

"Anledningen till att galaxer kan bilda stjärnor kontinuerligt är att färsk gas strömmar in i galaxer från IGM, sade Mandelker, huvudförfattare till studien. "Det är uppenbart att galaxer skulle få slut på gas på mycket kort tid om de inte samlade upp ny gas från IGM."

Ändå har det varit ytterst svårt att upptäcka IGM:s gas. Till skillnad från galaxer, som lyser starkt i stjärnljus, gas i IGM är nästan aldrig tillräckligt lysande för att upptäcka direkt. Istället, det måste studeras indirekt, genom absorption av bakgrundsljus. Sådana absorptionsstudier tillåter forskare att lära sig om gasmolns densitet och kemiska sammansättning; särskilt, de kan ta reda på om stjärnbildning i närliggande galaxer har förorenat gasen med metaller (grundämnen tyngre än helium).

Med sin nya simulering, Yale-teamet lärde sig en hel del – inklusive nya egenskaper hos de ovan nämnda arken av baryoner.

"Detta är tillplattade distributioner av materia, känd som "pannkakor, som sträcker sig över många miljoner ljusår över, " sa van den Bosch. "Vi fann att snarare än att distribueras smidigt, gasen i dessa pannkakor splittras till vad som liknar en "kosmisk dimma" som består av små, diskreta moln av relativt kall och tät gas."

Sådana täta gasmoln hade ansetts bildas endast i områden i rymden nära galaxer, där gasen är naturligt tätare. Men den nya simuleringen visar att de också kan kondensera ur lågdensitets-IGM. Forskarna sa att fenomenet inträffar naturligt, som ett resultat av en instabilitet som utlösts av den effektiva kylningen av gasen.

En annan aspekt av denna kosmiska dimma, baserat på Yale-simuleringen, är att den är orörd; det är för långt bort från någon galax för att vara förorenat med metaller. Enligt Mandelker, detta är betydelsefullt eftersom det förklarar senaste, förbryllande observationer av täta, metallfria moln på stora avstånd från galaxer. Astronomer kunde inte förklara detta fenomen, men den nya simuleringen tyder på att deras närvaro helt enkelt kan vara resultatet av en naturlig process.

"Vårt arbete belyser vikten av att korrekt lösa gasens egenskaper i IGM, som ofta försummas till förmån för bättre upplösning av de centrala galaxerna, ", sa Mandelker. "Det har varit väldigt svårt att förstå hur gasen i IGM kan bli så tät och optiskt tjock, speciellt när tidigare generationer av kosmologiska simuleringar inte avslöjade någon sådan tät gas i IGM."