Ce que révèle la raie Lyman-alpha

L’empreinte de l’hydrogène

L’hydrogène neutre — un proton, un électron — interagit très fortement avec la lumière à une longueur d’onde précise de l’ultraviolet lointain : 1216 ångströms (121,6 nanomètres). C’est exactement l’énergie du saut entre l’orbite la plus basse de l’électron et la suivante. Donnez à l’atome un photon de cette énergie et l’électron monte ; laissez-le retomber et un photon de cette énergie ressort. Cette transition, dans un sens ou dans l’autre, est la raie Lyman-alpha — et les deux sens sont toute l’histoire qui suit : émission quand la lumière sort, absorption quand elle est retirée.

Émission Lyman-alpha

Partout où l’hydrogène est ionisé — son électron arraché, comme autour de jeunes étoiles chaudes ou du cœur violent d’une galaxie active — puis se recombine, l’électron qui revient redescend en cascade dans ses orbites et passe souvent par l’étape Lyman-alpha, libérant un photon de 1216 ångströms. Assez de gaz de ce type brille à cette longueur d’onde. Dans une galaxie lointaine en pleine formation d’étoiles, Lyman-alpha peut être la raie la plus brillante du spectre, ce qui en fait un outil de base pour trouver et confirmer des galaxies dans l’Univers jeune : attrapez cette raie brillante, mesurez jusqu’où l’expansion de l’Univers l’a étirée, et vous avez le redshift de la galaxie — donc une distance approximative et sa place dans le temps cosmique.

L’émission trace aussi le gaz d’où elle vient. Les photons Lyman-alpha se diffusent très facilement sur l’hydrogène neutre, rebondissant de nombreuses fois avant de sortir ; ils s’échappent donc lentement et éclairent un halo diffus autour de la galaxie. La taille et la forme de ce halo, ainsi que le profil exact de la raie, sont sensibles à la quantité de gaz neutre autour de la galaxie et à la facilité avec laquelle le rayonnement ionisant peut s’en échapper — exactement la question posée aux galaxies qui auraient aidé à réioniser l’Univers jeune.

Forêt Lyman-alpha

Retournez maintenant la géométrie. Pointez un télescope vers un quasar brillant et lointain, puis étalez sa lumière en spectre. Juste en dessous de la longueur d’onde Lyman-alpha, la lueur lisse se brise en un fourré dense de raies d’absorption sombres — des dizaines ou des centaines, serrées les unes contre les autres. Ce fourré est la forêt Lyman-alpha, et chaque raie est l’ombre d’un nuage d’hydrogène que la lumière du quasar a traversé en chemin vers nous.

Un seul nuage laisserait une seule raie. Mais la lumière d’un quasar lointain traverse beaucoup de grumeaux et de filaments de gaz séparés, chacun à une distance différente — et donc à un redshift différent. Chacun absorbe à 1216 ångströms dans son propre référentiel, mais le temps que cette ombre nous atteigne, l’expansion de l’Univers l’a étirée vers une longueur d’onde plus longue, d’une quantité qui dépend de la distance du nuage. Le résultat n’est pas une raie mais tout un peigne de raies étalées dans le spectre — une forêt, où chaque arbre marque un nuage à sa propre distance.

Ce que trace la forêt

Le gaz qui produit ces raies est le milieu intergalactique : l’hydrogène ténu qui remplit l’espace entre les galaxies, entraîné le long de la même toile cosmique de filaments et de nappes que les galaxies tracent. Là où la toile est plus dense, l’absorption est plus profonde ; là où elle est clairsemée, davantage de lumière passe. La forêt est donc une carte de la matière ordinaire dans l’Univers jeune, lue non pas à partir de ce qui brille, mais de ce qui se découpe en silhouette devant une lampe de fond. Elle est la plus riche à haut redshift — environ redshift 2 et au-delà —, là où la raie Lyman-alpha étirée tombe dans le visible et où le gaz intervenant est assez épais pour laisser une forêt dense.

Une règle au bord de la carte

C’est pourquoi des relevés comme DESI s’y intéressent. Les relevés de galaxies finissent par manquer de galaxies assez brillantes pour être mesurées aux plus grandes distances, mais les quasars brillants restent visibles beaucoup plus loin, et leurs forêts Lyman-alpha portent la même règle acoustique baryonique imprimée dans toute la matière. En corrélant l’absorption le long de nombreuses lignes de visée vers des quasars — et en la corrélant aussi avec les quasars eux-mêmes — DESI récupère l’échelle acoustique à des redshifts supérieurs à 2, prolongeant sa carte de l’expansion cosmique jusque dans une époque que les galaxies seules n’atteignent pas.

Une sonde de l’Univers ionisant

La forêt est aussi un indicateur sensible de l’état ionisé de l’Univers. La plupart de l’hydrogène intergalactique n’est pas neutre du tout : il est maintenu ionisé par la lumière ultraviolette des galaxies et des quasars, et seule la petite fraction qui reste neutre produit l’absorption Lyman-alpha. La profondeur et la texture de la forêt dépendent donc de la force de ce fond ionisant — qui dépend à son tour de la facilité avec laquelle les photons ionisants s’échappent des galaxies qui les produisent. Cela referme la boucle avec l’émission Lyman-alpha ci-dessus : le rayonnement ionisant que les astronomes essaient de saisir autour de galaxies individuelles est ce qui alimente ce fond. Les halos de galaxies isolées et la forêt entre elles deviennent ainsi deux façons de lire la même physique. Étudier quelles galaxies laissent échapper de la lumière ionisante, c’est étudier ce qui façonne la forêt ; lire la forêt avec soin, c’est contraindre le budget ionisant du cosmos entier.

En une phrase

La raie Lyman-alpha — la transition de l’hydrogène à 1216 ångströms — nous parvient de deux façons : comme émission, éclairant les galaxies lointaines et les halos de gaz qui les entourent, et comme la forêt d’absorption que la lumière d’un quasar accumule sur son chemin vers nous. La première aide les astronomes à trouver des galaxies et à évaluer comment leur rayonnement s’échappe ; la seconde cartographie le gaz entre les galaxies et mesure l’expansion cosmique jusqu’aux distances où les galaxies viennent à manquer.