Hva Lyman-alfa forteller astronomer

Hydrogenets fingeravtrykk

Nøytralt hydrogen — et proton, et elektron — samvirker svært sterkt med lys ved én fjern-ultrafiolett bølgelengde, 1216 ångström (121,6 nanometer). Det er nøyaktig den energien som trengs for hoppet mellom elektronets laveste bane og neste bane over. Gi atomet et foton med den energien, og elektronet klatrer oppover; la det falle tilbake, og et foton med samme energi sendes ut. Denne ene overgangen, tatt i begge retninger, er Lyman-alfa-linjen — og de to retningene er hele historien nedenfor: emisjon når lyset kommer ut, absorpsjon når det tas bort.

Lyman-alfa-emisjon

Der hydrogen ioniseres — elektronet dets revet bort, som skjer rundt hete unge stjerner eller den intense kjernen i en aktiv galakse — og deretter rekombinerer, kaskader det returnerende elektronet nedover gjennom banene sine og passerer ofte gjennom Lyman-alfa-trinnet, og frigjør et foton på 1216 ångström. Nok slik gass gløder synlig ved den bølgelengden. I en fjern galakse som driver aktiv stjernedannelse, kan Lyman-alfa være den klart lyseste linjen i spekteret, noe som gjør den til en arbeidshest for å finne og bekrefte galakser i det tidlige universet: fang den ene lyse linjen, mål hvor mye det ekspanderende universet har strukket den, og du har galaksens rødforskyvning — og med den en grov avstand og dens plass i kosmisk tid.

Emisjonen sporer også gassen den kommer fra. Lyman-alfa-fotoner spres svært lett mot nøytralt hydrogen og spretter mange ganger før de slipper ut, så de lekker sakte ut og lyser opp en diffus halo rundt galaksen. Størrelsen og formen på denne haloen, og linjens nøyaktige profil, er følsomme for hvor mye nøytral gass som omgir galaksen og hvor lett ioniserende stråling kan slippe ut av den — nettopp det spørsmålet man stiller om galaksene man tror bidro til å reionisere det tidlige universet.

Lyman-alfa-skogen

Snu nå geometrien rundt. Rett et teleskop mot en lyssterk, fjern kvasar og spre lyset dens ut i et spektrum. Like før Lyman-alfa-bølgelengden bryter den jevne gløden opp i et tett kratt av mørke absorpsjonslinjer — dusinvis eller hundrevis av dem, tett pakket sammen. Dette krattet er Lyman-alfa-skogen, og hver linje i den er skyggen av en hydrogensky som kvasarens lys krysset på vei til oss.

En enkelt sky ville etterlatt én linje. Men lyset fra en fjern kvasar krysser mange separate klumper og filamenter av gass, hver på en annen avstand — og dermed ved en annen rødforskyvning. Hver av dem absorberer ved 1216 ångström i sin egen referanseramme, men når skyggen når oss, har det ekspanderende universet strukket den til en lengre bølgelengde, med en mengde som avhenger av hvor langt unna skyen ligger. Resultatet er ikke én linje, men en hel kam av dem spredt utover spekteret — en skog, der hvert tre markerer en sky på sin egen avstand.

Hva skogen sporer

Gassen som lager disse linjene, er det intergalaktiske mediet: det tynne hydrogenet som fyller rommet mellom galaksene, trukket langs det samme kosmiske nettet av filamenter og flak som galaksene tegner opp. Der nettet er tettere, er absorpsjonen dypere; der det er tynt, slipper mer lys gjennom. Skogen er altså et kart over vanlig materie i det tidlige universet, lest ikke fra det som gløder, men fra det som avtegner seg i silhuett mot en bakgrunnslampe. Den er rikest ved høy rødforskyvning — omtrent rødforskyvning 2 og høyere — der den strukne Lyman-alfa-linjen faller inn i det synlige båndet, og gassen imellom er tykk nok til å etterlate en tett skog.

En linjal ved kartets kant

Dette er grunnen til at kartlegginger som DESI bryr seg om dette. Galaksekartlegginger går til slutt tom for galakser som er lyssterke nok til å måles på de største avstandene, men lyssterke kvasarer er synlige mye lenger unna, og deres Lyman-alfa-skoger bærer den samme baryonakustiske linjalen som er avtrykt i all materie. Ved å korrelere absorpsjonen langs mange kvasarers siktelinjer — og krysskorrelere den med kvasarene selv — gjenvinner DESI den akustiske skalaen ved rødforskyvninger over 2, noe som utvider kartet over kosmisk ekspansjon inn i en epoke galakser alene ikke kan nå.

En sonde for det ioniserende universet

Skogen er også en følsom måler for hvor ionisert universet er. Det meste av det intergalaktiske hydrogenet er slett ikke nøytralt: det holdes ionisert av ultrafiolett lys fra galakser og kvasarer, og det er bare den lille andelen som forblir nøytral, som skaper Lyman-alfa-absorpsjon. Skogens dybde og struktur avhenger derfor av styrken til denne ioniserende bakgrunnen — som igjen avhenger av hvor lett ioniserende fotoner slipper ut av galaksene som skaper dem. Dette lukker sirkelen med Lyman-alfa-emisjonen ovenfor: den unnslippende ioniserende strålingen som astronomer prøver å fange rundt enkeltgalakser, er det som driver denne bakgrunnen — slik blir haloene rundt enkeltgalakser og skogen mellom dem to måter å lese den samme fysikken på. Studer hvilke galakser som lekker ioniserende lys, og du studerer det som former skogen; les skogen nøye, og du begrenser hele kosmos’ ioniserende budsjett.

I én setning

Lyman-alfa-linjen — hydrogenets overgang ved 1216 ångström — når oss på to måter: som emisjon, som lyser opp fjerne galakser og gasshaloene rundt dem, og som absorpsjonsskogen som en kvasars lys samler på veien til oss; den første hjelper astronomer med å finne galakser og måle hvordan strålingen deres slipper ut, den andre kartlegger gassen mellom galakser og måler kosmisk ekspansjon helt ut til der galaksene tar slutt.