Cosa rivela la riga Lyman-alpha

L’impronta dell’idrogeno

L’idrogeno neutro, un protone e un elettrone, interagisce molto fortemente con la luce a una lunghezza d’onda nell’ultravioletto lontano: 1216 ångström (121,6 nanometri). E l’energia esatta del salto tra l’orbita piu bassa dell’elettrone e quella subito sopra. Dai all’atomo un fotone di quell’energia e l’elettrone sale; lascialo ricadere e viene emesso un fotone di quella energia. Quella singola transizione, presa in entrambe le direzioni, e la riga Lyman-alpha: e le due direzioni sono tutta la storia qui sotto, emissione quando la luce esce, assorbimento quando viene tolta.

Emissione Lyman-alpha

Ovunque l’idrogeno venga ionizzato, cioe il suo elettrone venga strappato via, come accade attorno a giovani stelle calde o al nucleo feroce di una galassia attiva, e poi si ricombini, l’elettrone che ritorna scende a cascata tra le orbite e passa spesso dal gradino Lyman-alpha, rilasciando un fotone a 1216 ångström. Abbastanza gas di questo tipo brilla visibilmente a quella lunghezza d’onda. In una galassia lontana che sta formando stelle a ritmo intenso, Lyman-alpha puo essere la riga piu brillante dello spettro, e questo la rende uno strumento di lavoro per trovare e confermare galassie nell’universo primordiale: cattura quella singola riga brillante, misura quanto l’espansione dell’universo l’ha stirata, e hai il redshift della galassia, quindi una distanza approssimata e il suo posto nel tempo cosmico.

L’emissione traccia anche il gas da cui viene. I fotoni Lyman-alpha si diffondono molto facilmente sull’idrogeno neutro, rimbalzando molte volte prima di uscire, quindi filtrano lentamente e illuminano un alone diffuso attorno alla galassia. La dimensione e la forma di quell’alone, e il profilo esatto della riga, sono sensibili a quanto gas neutro circonda la galassia e a quanto facilmente la radiazione ionizzante puo sfuggirle: proprio la domanda posta alle galassie che si pensa abbiano contribuito a reionizzare l’universo primordiale.

Foresta Lyman-alpha

Ora gira la geometria. Punta un telescopio su un quasar brillante e lontano e disperdi la sua luce in uno spettro. Appena prima della lunghezza d’onda Lyman-alpha, il bagliore liscio si rompe in un fitto intrico di righe scure di assorbimento, decine o centinaia, tutte ravvicinate. Quell’intrico e la foresta Lyman-alpha, e ogni riga e l’ombra di una nube di idrogeno che la luce del quasar ha attraversato venendo verso di noi.

Una sola nube lascerebbe una sola riga. Ma la luce di un quasar lontano attraversa molti grumi e filamenti separati di gas, ciascuno a una distanza diversa, e quindi a un redshift diverso. Ognuno assorbe a 1216 ångström nel proprio sistema di riferimento, ma quando quell’ombra ci raggiunge l’espansione dell’universo l’ha stirata verso una lunghezza d’onda maggiore, di una quantita che dipende da quanto lontana e la nube. Il risultato non e una riga, ma un intero pettine distribuito nello spettro: una foresta, in cui ogni albero segna una nube alla propria distanza.

Che cosa traccia la foresta

Il gas che produce queste righe e il mezzo intergalattico: il sottile idrogeno che riempie lo spazio tra le galassie, tirato lungo la stessa ragnatela cosmica di filamenti e fogli che le galassie tracciano. Dove la ragnatela e piu densa, l’assorbimento e piu profondo; dove e rada, passa piu luce. Quindi la foresta e una mappa della materia ordinaria nell’universo primordiale, letta non da cio che brilla ma da cio che si staglia contro una lampada di fondo. E piu ricca ad alto redshift, circa redshift 2 e oltre, dove la riga Lyman-alpha stirata cade nella banda visibile e il gas interposto e abbastanza denso da lasciare una foresta fitta.

Un righello al margine della mappa

Ecco perche survey come DESI se ne interessano. Le survey di galassie prima o poi esauriscono le galassie abbastanza brillanti da misurare alle distanze maggiori, ma i quasar brillanti sono visibili molto piu lontano, e le loro foreste Lyman-alpha portano lo stesso righello acustico barionico impresso su tutta la materia. Correlando l’assorbimento lungo molte linee di vista verso quasar, e correlando quello stesso assorbimento con i quasar, DESI recupera la scala acustica a redshift sopra 2, estendendo la sua mappa dell’espansione cosmica a un’epoca dove le galassie da sole non bastano piu.

Una sonda dell’universo ionizzante

La foresta e anche un indicatore sensibile di quanto l’universo sia ionizzato. La maggior parte dell’idrogeno intergalattico non e neutra: viene tenuta ionizzata dalla luce ultravioletta di galassie e quasar, e solo la piccola frazione che resta neutra produce assorbimento Lyman-alpha. Quindi profondita e trama della foresta dipendono dalla forza di quel fondo ionizzante, che a sua volta dipende da quanto facilmente i fotoni ionizzanti sfuggono dalle galassie che li producono. Qui si chiude il cerchio con l’emissione Lyman-alpha sopra: la radiazione ionizzante in fuga che gli astronomi cercano attorno a singole galassie e cio che alimenta quel fondo, quindi gli aloni di singole galassie e la foresta tra loro diventano due modi di leggere la stessa fisica. Studiare quali galassie lasciano uscire luce ionizzante significa studiare cio che modella la foresta; leggere bene la foresta significa vincolare il bilancio ionizzante dell’intero cosmo.

In una frase

La riga Lyman-alpha, la transizione dell’idrogeno a 1216 ångström, ci raggiunge in due modi: come emissione, illuminando galassie lontane e gli aloni di gas attorno a loro, e come foresta di assorbimento che la luce di un quasar raccoglie lungo il viaggio verso di noi; la prima aiuta gli astronomi a trovare galassie e a misurare come sfugge la loro radiazione, la seconda mappa il gas tra le galassie e misura l’espansione cosmica fino a dove le galassie si esauriscono.