Wat Lyman-alfa vir sterrekundiges vertel

Die vingerafdruk van waterstof

Neutrale waterstof — een proton, een elektron — tree by een golflengte in die ver-ultraviolet baie sterk met lig in wisselwerking: 1216 ångström (121,6 nanometer). Dit is presies die energie van die sprong tussen die elektron se laagste baan en die volgende een daarbo. Gee die atoom 'n foton met daardie energie en die elektron klim op; laat dit terugval en 'n foton met daardie energie kom uit. Daardie een oorgang, in albei rigtings geneem, is die Lyman-alfa-lyn — en die twee rigtings is die hele storie hieronder: emissie wanneer die lig uitkom, absorpsie wanneer dit weggeneem word.

Lyman-alfa-emissie

Oral waar waterstof geïoniseer word — sy elektron weggeruk, soos rondom warm jong sterre of die woeste kern van 'n aktiewe sterrestelsel gebeur — en dan herkombineer, val die terugkerende elektron trapsgewys deur sy bane af en gaan dit dikwels deur die Lyman-alfa-trap, waarby 'n foton van 1216 ångström vrygestel word. Genoeg sulke gas gloei sigbaar by daardie golflengte. In 'n verre sterrestelsel wat druk besig is om sterre te vorm, kan Lyman-alfa die helderste lyn in die spektrum wees, wat dit 'n werkesel maak om sterrestelsels in die vroeë heelal te vind en te bevestig: vang daardie een helder lyn, meet hoe ver die uitdyende heelal dit gerek het, en jy het die sterrestelsel se rooiverskuiwing — en daarmee 'n rowwe afstand en sy plek in kosmiese tyd.

Die emissie spoor ook die gas na waaruit dit kom. Lyman-alfa-fotone verstrooi baie maklik aan neutrale waterstof en bons baie kere rond voordat hulle uitkom, sodat hulle stadig uitlek en 'n diffuse halo rondom die sterrestelsel laat oplig. Die grootte en vorm van daardie halo, en die presiese profiel van die lyn, is gevoelig vir hoeveel neutrale gas die sterrestelsel omring en hoe maklik ioniserende straling daaruit kan ontsnap — presies die vraag wat gevra word aan die sterrestelsels wat vermoedelik gehelp het om die vroeë heelal te herioniseer.

Die Lyman-alfa-woud

Draai nou die meetkunde om. Rig 'n teleskoop op 'n helder, verre kwasar en sprei sy lig in 'n spektrum uit. Net onderkant die Lyman-alfa-golflengte breek die gladde gloed op in 'n digte ruigte van donker absorpsielyne — dosyne of honderde, dig opmekaar. Daardie ruigte is die Lyman-alfa-woud, en elke lyn daarin is die skaduwee van 'n waterstofwolk wat die kwasar se lig op pad na ons deurkruis het.

'n Enkele wolk sou 'n enkele lyn agterlaat. Maar die lig van 'n verre kwasar deurkruis baie afsonderlike klonte en filamente van gas, elkeen op 'n ander afstand — en dus by 'n ander rooiverskuiwing. Elkeen absorbeer by 1216 ångström in sy eie verwysingsraamwerk, maar teen die tyd dat daardie skaduwee ons bereik, het die uitdyende heelal dit na 'n langer golflengte gerek, met 'n hoeveelheid wat daarvan afhang hoe ver die wolk sit. Die resultaat is nie een lyn nie, maar 'n hele kam daarvan, oor die spektrum versprei — 'n woud, waarin elke boom 'n wolk op sy eie afstand merk.

Wat die woud naspoor

Die gas wat hierdie lyne maak, is die intergalaktiese medium: die yl waterstof wat die ruimte tussen sterrestelsels vul, getrek langs dieselfde kosmiese web van filamente en vlakke wat die sterrestelsels naspoor. Waar die web digter is, is die absorpsie dieper; waar dit yl is, kom meer lig deur. Die woud is dus 'n kaart van gewone materie in die vroeë heelal, gelees nie uit wat gloei nie, maar uit wat teen 'n agtergrondlamp afgeëts staan. Dit is die rykste by hoë rooiverskuiwing — ruweg rooiverskuiwing 2 en verder — waar die gerekte Lyman-alfa-lyn in die sigbare band val en die tussenliggende gas dig genoeg is om 'n digte woud agter te laat.

'n Liniaal aan die rand van die kaart

Dit is hoekom opnames soos DESI daarin belangstel. Sterrestelsel-opnames raak op die grootste afstande uiteindelik uitgeput aan sterrestelsels wat helder genoeg is om te meet, maar helder kwasars is baie verder sigbaar, en hulle Lyman-alfa-woude dra dieselfde barion-akoestiese liniaal wat op alle materie afgedruk is. Deur die absorpsie langs baie siglyne na kwasars te korreleer — en dit kruis te korreleer met die kwasars self — herwin DESI die akoestiese skaal by rooiverskuiwings bo 2, en brei dit sy kaart van kosmiese uitdying uit tot in 'n era wat sterrestelsels alleen nie kan bereik nie.

'n Peiler van die ioniserende heelal

Die woud is ook 'n sensitiewe maatstaf van hoe geïoniseer die heelal is. Die meeste intergalaktiese waterstof is glad nie neutraal nie: dit word geïoniseer gehou deur ultravioletlig van sterrestelsels en kwasars, en net die klein fraksie wat neutraal bly, maak Lyman-alfa-absorpsie. Die diepte en tekstuur van die woud hang dus af van die sterkte van daardie ioniserende agtergrond — wat op sy beurt daarvan afhang hoe maklik ioniserende fotone ontsnap uit die sterrestelsels wat hulle maak. Hier sluit die kring met die Lyman-alfa-emissie hierbo: die ontsnappende ioniserende straling wat sterrekundiges rondom individuele sterrestelsels probeer vang, is wat daardie agtergrond aandryf — so word die halo’s van enkele sterrestelsels en die woud tussen hulle twee maniere om dieselfde fisika te lees. Bestudeer watter sterrestelsels ioniserende lig laat uitlek, en jy bestudeer wat die woud vorm; lees die woud noukeurig, en jy begrens die ioniserende begroting van die hele kosmos.

In een sin

Die Lyman-alfa-lyn — waterstof se oorgang by 1216 ångström — bereik ons op twee maniere: as emissie, wat verre sterrestelsels en die gashalo’s rondom hulle laat oplig, en as die absorpsiewoud wat 'n kwasar se lig op pad na ons versamel; die eerste help sterrekundiges om sterrestelsels te vind en te peil hoe hulle straling ontsnap, die tweede karteer die gas tussen sterrestelsels en meet kosmiese uitdying tot waar die sterrestelsels opraak.