Qué revela la línea Lyman-alpha

La huella del hidrógeno

El hidrógeno neutro —un protón, un electrón— interactúa muy fuertemente con la luz en una longitud de onda del ultravioleta lejano: 1216 ångström (121,6 nanómetros). Esa es la energía exacta del salto entre la órbita más baja del electrón y la siguiente. Dale al átomo un fotón de esa energía y el electrón sube; deja que vuelva a caer y sale un fotón de esa energía. Esa transición, en cualquiera de los dos sentidos, es la línea Lyman-alpha. Y los dos sentidos son toda la historia que sigue: emisión cuando la luz sale, absorción cuando se quita.

Emisión Lyman-alpha

Allí donde el hidrógeno está ionizado —donde le arrancan el electrón, como ocurre alrededor de estrellas jóvenes calientes o del núcleo intenso de una galaxia activa— y luego se recombina, el electrón que vuelve cae en cascada por sus órbitas y a menudo pasa por el escalón Lyman-alpha, liberando un fotón de 1216 ångström. Si hay suficiente gas, brilla a esa longitud de onda. En una galaxia lejana que está formando estrellas con fuerza, Lyman-alpha puede ser la línea más brillante del espectro, lo que la convierte en una herramienta básica para encontrar y confirmar galaxias en el universo temprano: detecta esa línea brillante, mide cuánto la ha estirado la expansión del universo y tienes el corrimiento al rojo de la galaxia, y con él una distancia aproximada y su lugar en el tiempo cósmico.

La emisión también traza el gas del que sale. Los fotones Lyman-alpha se dispersan con mucha facilidad en hidrógeno neutro, rebotando muchas veces antes de escapar, así que se filtran lentamente y encienden un halo difuso alrededor de la galaxia. El tamaño y la forma de ese halo, y el perfil exacto de la línea, son sensibles a cuánto gas neutro rodea la galaxia y a lo fácil que escapa de ella la radiación ionizante: exactamente la pregunta que se hace sobre las galaxias que pudieron ayudar a reionizar el universo temprano.

Bosque Lyman-alpha

Ahora invierte la geometría. Apunta un telescopio a un cuásar brillante y lejano, y separa su luz en un espectro. Justo por debajo de la longitud de onda Lyman-alpha, el resplandor liso se rompe en una maraña densa de líneas oscuras de absorción: decenas o cientos, apretadas unas contra otras. Esa maraña es el bosque Lyman-alpha, y cada línea es la sombra de una nube de hidrógeno que la luz del cuásar cruzó camino a nosotros.

Una sola nube dejaría una sola línea. Pero la luz de un cuásar distante atraviesa muchos grumos y filamentos de gas separados, cada uno a una distancia distinta, y por tanto a un corrimiento al rojo distinto. Cada uno absorbe a 1216 ångström en su propio marco, pero para cuando esa sombra llega hasta nosotros la expansión del universo la ha estirado hasta una longitud de onda más larga, en una cantidad que depende de lo lejos que esté la nube. El resultado no es una línea, sino todo un peine de líneas repartidas por el espectro: un bosque, donde cada árbol marca una nube a su propia distancia.

Qué traza el bosque

El gas que produce estas líneas es el medio intergaláctico: el hidrógeno tenue que llena el espacio entre galaxias, arrastrado por la misma red cósmica de filamentos y láminas que trazan las galaxias. Donde la red es más densa, la absorción es más profunda; donde es más dispersa, pasa más luz. Así que el bosque es un mapa de la materia ordinaria en el universo temprano, leído no por lo que brilla sino por lo que queda silueteado contra una lámpara de fondo. Es más rico a alto corrimiento al rojo —aproximadamente redshift 2 y más allá—, donde la línea Lyman-alpha estirada cae en la banda visible y el gas intermedio es lo bastante espeso como para dejar un bosque denso.

Una regla en el borde del mapa

Por eso encuestas como DESI se interesan por él. Las encuestas de galaxias acaban quedándose sin galaxias lo bastante brillantes para medir a las mayores distancias, pero los cuásares brillantes se ven mucho más lejos, y sus bosques Lyman-alpha llevan la misma regla acústica bariónica impresa en toda la materia. Al correlacionar la absorción a lo largo de muchas líneas de visión hacia cuásares —y al cruzarla con los propios cuásares— DESI recupera la escala acústica a corrimientos al rojo por encima de 2, extendiendo su mapa de la expansión cósmica a una época a la que las galaxias por sí solas no llegan.

Una sonda del universo ionizante

El bosque también es un indicador sensible de cuán ionizado está el universo. La mayor parte del hidrógeno intergaláctico no es neutro: se mantiene ionizado por luz ultravioleta de galaxias y cuásares, y solo la pequeña fracción que sigue neutra produce absorción Lyman-alpha. Así que la profundidad y la textura del bosque dependen de la fuerza de ese fondo ionizante, que a su vez depende de la facilidad con que los fotones ionizantes escapan de las galaxias que los producen. Esto cierra el círculo con la emisión Lyman-alpha de arriba: la radiación ionizante que los astrónomos intentan captar alrededor de galaxias individuales es la que alimenta ese fondo. Los halos de galaxias sueltas y el bosque entre ellas se convierten así en dos formas de leer la misma física. Estudiar qué galaxias dejan escapar luz ionizante es estudiar qué moldea el bosque; leer el bosque con cuidado es limitar el presupuesto ionizante de todo el cosmos.

En una frase

La línea Lyman-alpha —la transición del hidrógeno a 1216 ångström— nos llega de dos formas: como emisión, iluminando galaxias lejanas y los halos de gas que las rodean, y como el bosque de absorción que acumula la luz de un cuásar en su camino hacia nosotros. La primera ayuda a los astrónomos a encontrar galaxias y medir cómo escapa su radiación; la segunda mapea el gas entre galaxias y mide la expansión cósmica hasta donde las galaxias se agotan.