라이먼알파가 천문학자에게 말해 주는 것

수소의 지문

중성 수소 — 양성자 하나, 전자 하나 — 는 원자외선의 한 파장, 1216 ångström(121.6 나노미터)에서 빛과 매우 강하게 상호작용한다. 이것은 전자의 가장 낮은 궤도와 그 바로 위 궤도 사이 도약의 에너지와 정확히 일치한다. 그 에너지의 광자를 원자에 주면 전자는 위로 올라가고, 다시 떨어뜨리면 그 에너지의 광자가 나온다. 어느 방향으로 취하든 이 하나의 전이가 라이먼알파선이며 — 그리고 이 두 방향이 아래에서 이야기할 전부다. 빛이 나올 때가 방출, 빛이 빠져나갈 때가 흡수다.

라이먼알파 방출

수소가 전리되고 — 뜨겁고 젊은 별 주위나 활동 은하의 격렬한 중심핵에서 일어나듯 전자가 뜯겨 나가고 — 그런 다음 재결합하는 곳이라면 어디서든, 돌아온 전자는 궤도를 폭포처럼 타고 내려오며 자주 라이먼알파 단계를 거쳐 1216 ångström 광자를 방출한다. 그런 가스가 충분히 있으면 그 파장에서 눈에 보이게 빛난다. 별을 활발히 형성하는 먼 은하에서는 라이먼알파가 스펙트럼에서 단독으로 가장 밝은 선이 될 수 있으며, 이 때문에 초기 우주에서 은하를 찾아내고 확인하는 데 주력 도구가 된다. 그 하나의 밝은 선을 포착하여 팽창하는 우주가 그것을 얼마나 늘여 놓았는지 측정하면 그 은하의 적색편이를 얻게 되고 — 그와 함께 대략적인 거리와 우주의 시간 속 그 위치를 얻게 된다.

방출은 또한 그것이 나오는 가스 자체를 그려 낸다. 라이먼알파 광자는 중성 수소에서 매우 쉽게 산란하여, 빠져나가기 전에 여러 번 튕기므로, 천천히 새어 나가면서 은하 주위에 퍼진 헤일로를 밝힌다. 그 헤일로의 크기와 모양, 그리고 선의 정확한 프로파일은 얼마나 많은 중성 가스가 은하를 둘러싸고 있는지, 그리고 전리 복사가 얼마나 쉽게 그곳에서 빠져나올 수 있는지에 민감하다 — 그리고 이것은 바로 초기 우주의 재전리를 도왔다고 여겨지는 은하들에 던져지는 질문 그 자체다.

라이먼알파 숲

이제 기하학적 배치를 거꾸로 뒤집어 보자. 밝고 먼 퀘이사에 망원경을 겨누고 그 빛을 스펙트럼으로 펼친다. 라이먼알파 파장 바로 못 미쳐서 매끄러운 빛은 어두운 흡수선의 빽빽한 덤불로 부서진다 — 수십 개, 혹은 수백 개가 빽빽이 들어차 있다. 그 덤불이 라이먼알파 숲이며, 그 안의 모든 선은 퀘이사의 빛이 우리에게 오는 길에 가로지른 수소 구름의 그림자다.

구름 하나라면 선 하나를 남길 것이다. 하지만 먼 퀘이사에서 오는 빛은 서로 다른 여러 가스 덩어리와 필라멘트를 가로지르며, 각각은 서로 다른 거리에 — 따라서 서로 다른 적색편이에 — 있다. 각각은 자기 자신의 기준계에서 1216 ångström에서 흡수하지만, 그 그림자가 우리에게 도달할 무렵이면 팽창하는 우주가 그것을 더 긴 파장으로, 구름이 얼마나 멀리 있는지에 따라 달라지는 양만큼 늘여 놓았다. 그 결과는 선 하나가 아니라 스펙트럼 전체에 퍼진 빗살 한 벌 전체다 — 하나의 숲이며, 각 나무는 저마다의 거리에 있는 구름을 표시한다.

숲이 그려 내는 것

이 선들을 만드는 가스는 은하간 물질이다. 은하와 은하 사이의 공간을 채우는 희박한 수소로, 은하가 따라 그리는 것과 같은 필라멘트와 시트의 우주 그물을 따라 끌려 있다. 그물이 더 촘촘한 곳에서는 흡수가 더 깊고, 성긴 곳에서는 더 많은 빛이 통과한다. 그래서 숲은 초기 우주의 보통 물질의 지도이며, 빛나는 것이 아니라 배경 등불에 실루엣으로 떠오르는 것에서 읽어 낸다. 그것은 높은 적색편이 — 대략 적색편이 2 이상 — 에서 가장 풍부한데, 그곳에서는 늘어난 라이먼알파선이 가시광 대역으로 들어오고, 사이에 놓인 가스가 빽빽한 숲을 남길 만큼 두껍다.

지도의 가장자리에 있는 자

이것이 DESI 같은 서베이가 그것에 관심을 두는 이유다. 은하 서베이는 결국 가장 먼 거리에서 측정할 수 있을 만큼 밝은 은하를 다 써 버리지만, 밝은 퀘이사는 훨씬 더 멀리까지 보이며, 그 라이먼알파 숲은 모든 물질에 새겨진 것과 같은 바리온 음향 자를 실어 나른다. 많은 퀘이사 시선을 따라 흡수를 상관시키고 — 그리고 그것을 퀘이사 자체와 상호상관시켜서 — DESI는 적색편이 2 이상에서 음향 척도를 되찾아 내며, 우주 팽창의 지도를 은하만으로는 도달할 수 없는 시대로까지 넓힌다.

전리하는 우주를 탐사하기

숲은 또한 우주가 얼마나 전리되어 있는지를 재는 민감한 계기이기도 하다. 은하간 수소의 대부분은 전혀 중성이 아니다. 은하와 퀘이사에서 오는 자외선에 의해 전리된 상태로 유지되며, 중성으로 남아 있는 작은 비율만이 라이먼알파 흡수를 만든다. 그래서 숲의 깊이와 질감은 그 전리 배경 복사의 세기에 달려 있고 — 그것은 다시, 전리 광자가 그것을 만드는 은하에서 얼마나 쉽게 빠져나오는지에 달려 있다. 이것은 위의 라이먼알파 방출과 고리를 닫는다. 천문학자들이 개개의 은하 주위에서 포착하려는, 빠져나오는 전리 복사야말로 그 배경 복사에 힘을 공급하는 것이다 — 그래서 낱낱의 은하의 헤일로와 그것들 사이의 숲은 같은 물리를 읽어 내는 두 가지 방법이 된다. 어느 은하가 전리광을 새어 내보내는지를 연구하면 숲을 빚어내는 것을 연구하는 셈이고, 숲을 주의 깊게 읽으면 우주 전체의 전리 수지에 제약을 가하게 된다.

한 문장으로

라이먼알파선 — 수소의 1216 ångström 전이 — 은 두 가지 경로로 우리에게 도달한다. 방출로서 먼 은하와 그 주위의 가스 헤일로를 밝히고, 흡수의 숲으로서 퀘이사의 빛이 우리에게 오는 길에 모으는 것으로 도달한다. 전자는 천문학자들이 은하를 찾아내고 그 복사가 어떻게 빠져나오는지를 가늠하도록 돕고, 후자는 은하와 은하 사이의 가스를 지도로 그려 내며 은하가 바닥나는 곳까지 우주 팽창을 측정한다.