Введение

Астрономический спектроскопический термин

В астрономической спектроскопии лес Лаймана-альфа — это серия линий поглощения в спектрах далеких галактик и квазаров, возникающая в результате перехода электрона Лаймана-альфа в нейтральном атоме водорода. По мере прохождения света через множество газовых облаков с различными красными смещениями формируются многочисленные линии поглощения.

История

Лайман-альфа лес был впервые обнаружен в 1970 году астрономом Роджером Линдом при наблюдении квазара 4C 05.34. Квазар 4C 05.34 был самым далёким объектом, наблюдавшимся к тому времени, и Линдс отметил необычно большое количество линий поглощения в его спектре, предположив, что большинство этих линий поглощения обусловлено одним и тем же переходом Лаймана-альфа. Последующие наблюдения Джона Бакалла и Сэмюэля Голдсмита подтвердили наличие необычных линий поглощения, хотя они не пришли к однозначному выводу об их происхождении. В дальнейшем было установлено, что спектры многих других квазаров с высоким красным смещением демонстрируют ту же систему узких линий поглощения. Линдс первым описал их как «Лайман-альфа лес». Ян Оорт предположил, что эти особенности поглощения вызваны не физическими взаимодействиями внутри самих квазаров, а поглощением света в облаках межгалактического газа в суперкластерах.

Физическое происхождение

Для нейтрального атома водорода спектральные линии формируются при переходе электрона между энергетическими уровнями. Серия спектральных линий Лаймана возникает при переходе электронов между основным состоянием и более высокими энергетическими уровнями (возбужденными состояниями). Переход Лаймана-альфа соответствует переходу электрона между основным состоянием (n = 1) и первым возбужденным состоянием (n = 2). Спектральная линия Лаймана-альфа имеет лабораторную длину волны (или длину волны покоя) 1216 Å, что соответствует ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. Линии поглощения Лаймана-альфа в спектрах квазаров обусловлены межгалактическим газом, через который прошло излучение галактики или квазара. Поскольку нейтральные облака водорода в межгалактической среде имеют различную степень красного смещения (из-за их разного расстояния от Земли), их линии поглощения наблюдаются в широком диапазоне длин волн. Каждое отдельное облако оставляет свой уникальный отпечаток в виде линии поглощения в определенной точке наблюдаемого спектра.

Использование в качестве инструмента в астрофизике

Лайман-альфа лес является важным инструментом для изучения межгалактической среды и может быть использован для определения частоты и плотности облаков, содержащих нейтральный водород, а также их температуры. Поиск линий других элементов, таких как гелий, углерод и кремний (с соответствующим красным смещением), позволяет также изучать распространенность более тяжелых элементов в этих облаках. Облако с высокой плотностью столба нейтрального водорода проявляет типичные затухающие крылья вокруг линии и называется системой поглощения Лаймана-альфа. Для квазаров с большим красным смещением количество линий в лесу увеличивается, пока при красном смещении около 6 межгалактическая среда не содержит настолько много нейтрального водорода, что лес превращается в провал Гунна — Петерсона. Это свидетельствует об окончании эпохи реионизации Вселенной. Наблюдения Лаймана-альфа леса могут быть использованы для ограничения космологических моделей, а также для определения свойств темной материи, таких как масштаб свободного потока темной материи, который для моделей темной материи в виде тепловых реликвий тесно связан с массой частиц темной материи.