ライマンアルファが天文学者に語ること

水素の指紋

中性水素 — 陽子1個、電子1個 — は、遠紫外線の一つの波長、1216 ångström(121.6ナノメートル)で光と非常に強く相互作用する。これは電子の最も低い軌道とその一つ上の軌道との間の飛躍のエネルギーにちょうど一致する。そのエネルギーの光子を原子に与えれば電子は上へ登り、再び落下させればそのエネルギーの光子が出てくる。この一つの遷移を、どちらの向きにとったものでも、ライマンアルファ線である — そしてこの二つの向きこそが、以下で語るすべてだ。光が出てくるときが放射、取り去られるときが吸収である。

ライマンアルファ放射

水素が電離される — その電子が引きはがされる、高温の若い星の周りや活動銀河の激しい中心核で起こるように — そして再結合するところではどこでも、戻ってきた電子は軌道をカスケード状に下っていき、しばしばライマンアルファの段を通過して、1216 ångströmの光子を放出する。こうしたガスが十分にあれば、その波長で目に見えて輝く。星を盛んに形成している遠方の銀河では、ライマンアルファはスペクトルの中で単独で最も明るい線になりうる。そのため、初期宇宙で銀河を見つけ確認するための主力となる。その一本の明るい線を捉え、膨張する宇宙がそれをどれだけ引き伸ばしたかを測れば、その銀河の赤方偏移が得られる — そしてそれとともに、おおよその距離と、宇宙の時間の中でのその位置が得られる。

放射はまた、それが出てくるガスそのものを描き出す。ライマンアルファの光子は中性水素で非常に容易に散乱し、抜け出るまでに何度も跳ね返るので、ゆっくりと漏れ出して銀河の周りに広がったハローを光らせる。そのハローの大きさと形、そして線の正確なプロファイルは、どれだけの中性ガスが銀河を取り囲んでいるか、そして電離放射がどれほど容易にそこから逃げ出せるかに敏感である — それはまさに、初期宇宙の再電離を助けたと考えられている銀河に対して問われている問いそのものだ。

ライマンアルファの森

今度は幾何学的な配置を逆さまにしてみよう。明るく遠方のクエーサーに望遠鏡を向け、その光をスペクトルに分散させる。ライマンアルファの波長のすぐ手前で、なめらかな輝きが暗い吸収線の密な茂みに砕ける — 数十本、あるいは数百本が、ぎっしりと詰まっている。その茂みがライマンアルファの森であり、その中のすべての線は、クエーサーの光が私たちへの旅の途中で横切った水素の雲の影である。

一つの雲なら一本の線を残すだろう。しかし遠方のクエーサーからの光は、ガスの多くの別々の塊やフィラメントを横切り、それぞれが異なる距離に — したがって異なる赤方偏移にある。それぞれが自分自身の系で1216 ångströmで吸収するが、その影が私たちに届くころには、膨張する宇宙がそれをより長い波長へと、雲がどれだけ遠くにあるかに依存する量だけ引き伸ばしている。その結果は一本の線ではなく、スペクトル全体に広がった一そろいの櫛の歯である — 一つの森であり、それぞれの木が自分自身の距離にある雲を示している。

森が描き出すもの

これらの線を作るガスは銀河間物質である。銀河と銀河の間の空間を満たす希薄な水素で、銀河がなぞるのと同じフィラメントとシートの宇宙の網に沿って引き寄せられている。網がより密なところでは吸収がより深く、まばらなところではより多くの光が通り抜ける。だから森は初期宇宙の通常物質の地図であり、輝くものからではなく、背景のランプに照らされて浮かび上がる影から読み取られる。それが最も豊かになるのは高い赤方偏移 — おおよそ赤方偏移2以上 — においてであり、そこでは引き伸ばされたライマンアルファ線が可視の帯に入り込み、間に横たわるガスが密な森を残すのに十分なほど厚い。

地図の縁にある物差し

これこそ、DESIのようなサーベイがそれを気にかける理由だ。銀河サーベイはいずれ、最も遠い距離で測定できるほど明るい銀河を使い果たしてしまうが、明るいクエーサーははるかに遠くまで見え、そのライマンアルファの森はすべての物質に刻み込まれたのと同じバリオン音響の物差しを運んでいる。多くのクエーサーの視線に沿った吸収を相関させ — そしてそれをクエーサーそのものと相互相関させることで — DESIは赤方偏移2を超えるところで音響スケールを回復し、宇宙膨張の地図を、銀河だけでは到達できない時代にまで広げる。

電離する宇宙を探る

森はまた、宇宙がどれほど電離しているかを測る敏感な測定器でもある。銀河間の水素の大部分はまったく中性ではない。銀河やクエーサーからの紫外線によって電離した状態に保たれており、中性のまま留まるわずかな割合だけがライマンアルファ吸収を作る。だから森の深さと質感は、その電離背景放射の強さに依存する — それはさらに、電離光子がそれを作る銀河からどれほど容易に逃げ出せるかに依存する。これは上のライマンアルファ放射と輪をつなぐ。天文学者が個々の銀河の周りで捉えようとしている、逃げ出す電離放射こそが、その背景放射に力を供給しているのだ — だから単一の銀河のハローと、それらの間の森は、同じ物理を読み解く二つの方法になる。どの銀河が電離光を漏らしているかを調べれば、森を形づくるものを調べていることになり、森を注意深く読み取れば、宇宙全体の電離収支に制約を与えることになる。

一文で言えば

ライマンアルファ線 — 水素の1216 ångströmの遷移 — は二通りの経路で私たちに届く。放射として、遠方の銀河とその周りのガスハローを照らし出し、そして吸収の森として、クエーサーの光が私たちへの旅の途中で集めるものとして届く。前者は天文学者が銀河を見つけ、その放射がどのように逃げ出すかを測る手助けをし、後者は銀河と銀河の間のガスを地図にし、銀河が尽きる果てまで宇宙膨張を測る。