Was Lyman-alpha den Astronomen verrät

Der Fingerabdruck des Wasserstoffs

Neutraler Wasserstoff — ein Proton, ein Elektron — wechselwirkt bei einer einzigen Wellenlänge im fernen Ultraviolett besonders stark mit Licht: 1216 Ångström (121,6 Nanometer). Das ist genau die Energie des Sprungs zwischen der niedrigsten Bahn des Elektrons und der nächsthöheren. Gib dem Atom ein Photon dieser Energie, und das Elektron steigt hinauf; lass es zurückfallen, und ein Photon dieser Energie kommt heraus. Dieser eine Übergang, in beide Richtungen genommen, ist die Lyman-Alpha-Linie — und die beiden Richtungen sind die ganze Geschichte hier unten: Emission, wenn das Licht herauskommt, Absorption, wenn es weggenommen wird.

Lyman-Alpha-Emission

Wo immer Wasserstoff ionisiert wird — sein Elektron losgerissen, wie es um heiße junge Sterne oder den wilden Kern einer aktiven Galaxie geschieht — und dann rekombiniert, steigt das zurückkehrende Elektron kaskadenartig durch seine Bahnen hinab und durchläuft dabei häufig die Lyman-Alpha-Stufe, wobei ein Photon von 1216 Ångström frei wird. Genug solches Gas leuchtet sichtbar bei dieser Wellenlänge. In einer fernen Galaxie, die eifrig Sterne bildet, kann Lyman-Alpha die hellste Linie des ganzen Spektrums sein, was sie zu einem Arbeitspferd macht, um Galaxien im frühen Universum zu finden und zu bestätigen: Fang diese eine helle Linie ein, miss, wie weit das expandierende Universum sie gedehnt hat, und du hast die Rotverschiebung der Galaxie — und damit eine ungefähre Entfernung und ihren Platz in der kosmischen Zeit.

Die Emission zeichnet auch das Gas nach, aus dem sie stammt. Lyman-Alpha-Photonen streuen sehr leicht an neutralem Wasserstoff und prallen viele Male ab, bevor sie herauskommen; sie sickern also nur langsam heraus und lassen einen diffusen Halo um die Galaxie aufleuchten. Größe und Form dieses Halos und das genaue Profil der Linie reagieren empfindlich darauf, wie viel neutrales Gas die Galaxie umgibt und wie leicht ionisierende Strahlung ihr entkommen kann — genau die Frage, die man jenen Galaxien stellt, von denen man annimmt, dass sie geholfen haben, das frühe Universum zu reionisieren.

Lyman-Alpha-Wald

Nun dreh die Geometrie um. Richte ein Teleskop auf einen hellen, fernen Quasar und zerlege sein Licht in ein Spektrum. Knapp unterhalb der Lyman-Alpha-Wellenlänge bricht das glatte Leuchten in ein dichtes Dickicht dunkler Absorptionslinien auf — Dutzende oder Hunderte, dicht gedrängt. Dieses Dickicht ist der Lyman-Alpha-Wald, und jede Linie darin ist der Schatten einer Wasserstoffwolke, die das Licht des Quasars auf seinem Weg zu uns durchquert hat.

Eine einzelne Wolke würde eine einzelne Linie hinterlassen. Doch das Licht eines fernen Quasars durchquert viele getrennte Klumpen und Filamente aus Gas, jeden in anderer Entfernung — und damit bei anderer Rotverschiebung. Jede Wolke absorbiert bei 1216 Ångström in ihrem eigenen Bezugssystem, doch bis dieser Schatten uns erreicht, hat das expandierende Universum ihn zu einer längeren Wellenlänge gedehnt, um einen Betrag, der davon abhängt, wie weit die Wolke entfernt ist. Das Ergebnis ist nicht eine Linie, sondern ein ganzer Kamm davon, über das Spektrum verteilt — ein Wald, in dem jeder Baum eine Wolke in ihrer eigenen Entfernung markiert.

Was der Wald nachzeichnet

Das Gas, das diese Linien erzeugt, ist das intergalaktische Medium: der dünne Wasserstoff, der den Raum zwischen den Galaxien füllt, entlang desselben kosmischen Netzes aus Filamenten und Flächen gezogen, das auch die Galaxien nachzeichnen. Wo das Netz dichter ist, ist die Absorption tiefer; wo es dünn ist, kommt mehr Licht durch. Der Wald ist also eine Karte der gewöhnlichen Materie im frühen Universum, abgelesen nicht an dem, was leuchtet, sondern an dem, was sich vor einer Hintergrundlampe abzeichnet. Am reichsten ist er bei hoher Rotverschiebung — etwa Rotverschiebung 2 und darüber —, wo die gedehnte Lyman-Alpha-Linie ins sichtbare Band fällt und das dazwischenliegende Gas dicht genug ist, um einen dichten Wald zu hinterlassen.

Ein Lineal am Rand der Karte

Deshalb interessieren sich Durchmusterungen wie DESI dafür. Galaxiendurchmusterungen gehen bei den größten Entfernungen irgendwann die Galaxien aus, die hell genug zum Messen sind, doch helle Quasare sind viel weiter sichtbar, und ihre Lyman-Alpha-Wälder tragen dasselbe baryonisch-akustische Lineal, das aller Materie aufgeprägt ist. Indem DESI die Absorption entlang vieler Sichtlinien zu Quasaren korreliert — und sie mit den Quasaren selbst kreuzkorreliert — gewinnt es die akustische Skala bei Rotverschiebungen über 2 zurück und dehnt seine Karte der kosmischen Expansion in eine Ära aus, die Galaxien allein nicht erreichen können.

Eine Sonde des ionisierenden Universums

Der Wald ist auch ein empfindliches Maß dafür, wie ionisiert das Universum ist. Der meiste intergalaktische Wasserstoff ist gar nicht neutral: Er wird vom ultravioletten Licht der Galaxien und Quasare ionisiert gehalten, und nur der kleine Anteil, der neutral bleibt, erzeugt Lyman-Alpha-Absorption. Tiefe und Textur des Waldes hängen also von der Stärke dieses ionisierenden Hintergrunds ab — der wiederum davon abhängt, wie leicht ionisierende Photonen den Galaxien entkommen, die sie erzeugen. Damit schließt sich der Kreis zur Lyman-Alpha-Emission weiter oben: Die entweichende ionisierende Strahlung, die Astronomen um einzelne Galaxien einzufangen versuchen, ist es, die diesen Hintergrund speist — so werden die Halos einzelner Galaxien und der Wald zwischen ihnen zu zwei Arten, dieselbe Physik zu lesen. Wer untersucht, welche Galaxien ionisierendes Licht entweichen lassen, untersucht, was den Wald formt; wer den Wald sorgfältig liest, schränkt das ionisierende Budget des ganzen Kosmos ein.

In einem Satz

Die Lyman-Alpha-Linie — der Übergang des Wasserstoffs bei 1216 Ångström — erreicht uns auf zwei Wegen: als Emission, die ferne Galaxien und die Gashalos um sie herum aufleuchten lässt, und als der Absorptionswald, den das Licht eines Quasars auf dem Weg zu uns aufsammelt; die erste hilft Astronomen, Galaxien zu finden und zu ermessen, wie ihre Strahlung entkommt, der zweite kartiert das Gas zwischen den Galaxien und misst die kosmische Expansion bis dorthin, wo die Galaxien ausgehen.