Лес Лаймана-альфа: спектроскопическое изучение межгалактического водорода.
Lyman-alpha forest
Лес Лаймана-альфа: спектроскопическое явление в астрономии, серия линий поглощения в спектрах далеких галактик и квазаров, возникающая из-за нейтрального водорода.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Астрономический спектроскопический термин
Astronomical spectroscopic term
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.
In astronomical spectroscopy, the Lyman alpha forest is a series of absorption lines in the spectra of distant galaxies and quasars arising from the Lyman alpha electron transition of the neutral hydrogen atom. As the light travels through multiple gas clouds with different redshifts, multiple absorption lines are formed.
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.
The Lyman alpha forest was first discovered in 1970 by astronomer Roger Lynds in an observation of the quasar 4C 05.34. Quasar 4C 05.34 was the farthest object observed to that date, and Lynds noted an unusually large number of absorption lines in its spectrum and suggested that most of the absorption lines were all due to the same Lyman alpha transition. Follow up observations by John Bahcall and Samuel Goldsmith confirmed the presence of the unusual absorption lines, though they were less conclusive about the origin of the lines. Subsequently, the spectra of many other high redshift quasars were observed to have the same system of narrow absorption lines. Lynds was the first to describe them as the "Lyman alpha forest". Jan Oort argued that the absorption features are due not to any physical interactions within the quasars themselves, but to absorption inside clouds of intergalactic gas in superclusters.
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.
For a neutral hydrogen atom, spectral lines are formed when an electron transitions between energy levels. The Lyman series of spectral lines are produced by electrons transitioning between the ground state and higher energy levels (excited states). The Lyman alpha transition corresponds to an electron transitioning between the ground state (n = 1) and the first excited state (n = 2). The Lyman alpha spectral line has a laboratory wavelength (or rest wavelength) of 1216 Å, which is in the ultraviolet portion of the electromagnetic spectrum. The Lyman alpha absorption lines in the quasar spectra result from intergalactic gas through which the galaxy or quasar's light has traveled. Since neutral hydrogen clouds in the intergalactic medium are at different degrees of redshift (due to their varying distance from Earth), their absorption lines are observed at a range of wavelengths. Each individual cloud leaves its fingerprint as an absorption line at a different position in the observed spectrum.
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.
The Lyman alpha forest is an important probe of the intergalactic medium and can be used to determine the frequency and density of clouds containing neutral hydrogen, as well as their temperature. Searching for lines from other elements like helium, carbon and silicon (matching in redshift), the abundance of heavier elements in the clouds can also be studied. A cloud with a high column density of neutral hydrogen will show typical damping wings around the line and is referred to as a damped Lyman alpha system. For quasars at higher redshift the number of lines in the forest is higher, until at a redshift of about 6, where there is so much neutral hydrogen in the intergalactic medium that the forest turns into a Gunn–Peterson trough. This shows the end of the reionization of the universe. The Lyman alpha forest observations can be used to constrain cosmological models. They can also be used to constrain the properties of dark matter, such as the dark matter free streaming scale, which for thermal relic dark matter models is closely related to the dark matter particle mass.