Physics of the Intergalactic Medium: a Study of the Power Spectrum ot the Lyman Alpha Forest and the Metal Content of Damped Lyman Alpha Systems

Abstract

El Medi Intergalàctic permet una caracterització de propietats bàsiques de l'univers tals com paràmetres fonamentals del model cosmològic, el creixement de pertorbacions primordials de densitat i formació de galàxies. Aquesta caracterització s'assoleix mitjançant l'absorció de la llum per part del Medi Intergalàctic a l'espectre d'espectres d'objectes llunyans i lluminosos.

Tot això ens motiva considerar dos aspectes del Medi Intergalàctic: primerament utilitzarem simulacions numèriques i models teòric per comprendre les complexitats de la evolució no lineal del medi intergalàctic. D'altra banda l'ús d'un extens catàleg de sistemes d'absorció en espectres quasars proveïdes pel sondeig astronòmic anomenat Bariònic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS).

Per una part cal entendre tots els processos complexos que ocorren al medi intergalàctic, per això és necessari l'ús de simulacions hidrodinàmiques que permeten el seu modelat. S'ha procedit a extraure l'espectre de potències de la fracció transmesa a través de l'hidrogen atòmic d'un gran nombre de simulacions cosmològiques. Aquest espectre de potencies s'ha descrit acuradament amb una model teòric, el qual amb pocs paràmetres és capaç de ajustar les dades i permet fer prediccions i comparacions. En particular paràmetre de biaix que determina l'amplitud de l'espectre de potencies del bosc Lyα i distorsió deguda al redshift han segut fetes per a nombroses simulacions amb diferents cosmologies i propietats físiques.

Per l'altra part el catàleg de dades de BOSS que disposa de més de trenta-mil sistemes d'alta absorció, o sistemes Lyα esmorteïts (DLAs, sigles en anglès), permet l'estudi detallat d'aquests. Els DLAs són denses reserves de gas clau per a la formació de galàxies i permeten traçar propietats cosmològiques. Aleshores s'ha procedit a fer un nou estudi en que es mesuren diverses amplades equivalents dels les línies d'absorció d'elements pesats associats al DLA. S'han combinat diverses línies a un nou paràmetre que s'anomenat “força metàl·lica”, la qual cosa permet obtenir informació d'una combinació de la dispersió de velocitats i metal·licitat per DLAs. Amb aquest mètode s'ha realitzat una classificació d'aquestos segons el nou paràmetre, que permet vore l'espectre conjunt per diferents poblacions, i així les seues propietats mitjanes. S'ha estudiat la evolució de la ”força metàl·lica” amb el redshift, que permetria una comparació amb models i simulacions. Finalment es podrà utilitzar per estudiar la variació del factor de biaix dels DLAs depenent de la nova parametrització.

The Intergalactic Medium (IGM), by means the Lyα absorption in quasar spectra ( this is called Lyα forest), is a unique tool allowing the study of the large scales of the universe, which in this way constrains several cosmological, the growth factor of the structure. Moreover the IGM also plays primordial role in galaxy formation.

Understanding the physics of the IGM and the way non-linear processes affect the observed Lyα forest, hydrodynamical simulations are necessary because the non linear evolution of the physics cannot be treated in any analytic framework. At the same time, a large number of observations, which have been obtained from the Barionic Oscilation Spectrographic survey (BOSS) to be used in thesis allow studding in unprecedented large number of Lyα forest from quasar spectra, allowing to achieve major breakthroughs.

In the 2nd chapter of this thesis we describe the methodology that we developed to extract the power spectrum from the transmission flux of the Hydrodynamical simulations. Using a set of simulations provided by various collaborators we study the effects of various simulation characteristics, such as resolution, box size, particles, and cell division, to see how they might affect the extracted power spectrum. Then we proceed to develop a model to fit the power spectrum of each of the simulations and in this way see the effects of different simulation and physical properties on the predictions from the power spectrum.

Once the model fit has been obtained, the non linear power spectrum of the transmission can be related on the matter power spectrum, which on the form of its biased relation with the matter power spectrum contains the cosmological information. This relation is measured by the bias and redshift distortions that can be directly measured from simulations, making predictions for these values that could be later tested with the observations.

In the 3rd chapter we use the data from the large catalogue of Damped Lyα systems (DLAs) provided by BOSS. These DLAs, broad regions of completely absorbed flux in the spectra of about 10% of the high redshift objects, the quasars. The DLAs are a large repository of neutral hydrogen, that is why they absorb all the flux that corresponds to their redshift. Since there is so much Neutral Hydrogen the absorption is damped, meaning that wavelength close to the one of the DLA also get absorbed, forming characteristic Lorenz wings that are sensitive to the column density of Hydrogen of the DLA.

DLAs are interesting objects that are expected to be very relevant for galaxy formation, and also because they trace the large structure, therefore also being relevant for cosmology. They are, similarly to IGM of which they form part, a bridge between the large cosmological framework and the galaxies that populate the universe.

The BOSS survey has allowed us for the first time have a set of thousands of DLAs. Given this amount of data and the interest of the DLAs, we developed a new method and a new parameterization to study the DLAs in the framework of large surveys such as BOSS. First we constructed a method to measure the equivalent width of several metal absorption lines associated with each DLA, even if individually they are not detected because they can not be observed due to the noise and resolution of the spectrum. The equivalent width are combined in a newly defined parameter called Metal Strength, which is a an optimal combination of the equivalent width of the metals measured for a DLA. This classification can then have many applications to measure the mean stack, mean bias and mean redshift evolution with respect this new parameter. The Metal Strength is therefore used to analyse the evolution and characteristics of the various populations of DLAs.