Ce dezvăluie linia Lyman-alpha

Amprenta hidrogenului

Hidrogenul neutru, un proton si un electron, interactioneaza foarte puternic cu lumina la o singura lungime de unda in ultravioletul indepartat, 1216 ångström (121,6 nanometri). Este exact energia saltului dintre orbita cea mai joasa a electronului si urmatoarea de deasupra. Da atomului un foton cu acea energie si electronul urca; lasa-l sa cada inapoi si iese un foton cu acea energie. Acea singura tranzitie, luata in ambele directii, este linia Lyman-alpha, iar cele doua directii sunt toata povestea de mai jos: emisie cand lumina iese, absorbtie cand lumina este luata.

Emisie Lyman-alpha

Oriunde hidrogenul este ionizat, adica electronul ii este smuls, asa cum se intampla in jurul stelelor tinere fierbinti sau al nucleului violent al unei galaxii active, si apoi se recombina, electronul care revine coboara in cascada prin orbite si trece frecvent prin treapta Lyman-alpha, eliberand un foton de 1216 ångström. Destul astfel de gaz straluceste vizibil la acea lungime de unda. Intr-o galaxie indepartata care formeaza stele intens, Lyman-alpha poate fi cea mai luminoasa linie din spectru, ceea ce o face un instrument de lucru pentru gasirea si confirmarea galaxiilor din universul timpuriu: prinde acea linie stralucitoare, masoara cat a intins-o universul in expansiune si ai redshiftul galaxiei, deci o distanta aproximativa si locul ei in timpul cosmic.

Emisia traseaza si gazul din care vine. Fotonii Lyman-alpha se imprastie foarte usor pe hidrogen neutru, sarind de multe ori inainte sa iasa, asa ca se scurg incet si lumineaza un halou difuz in jurul galaxiei. Marimea si forma acelui halou, si profilul exact al liniei, sunt sensibile la cat gaz neutru inconjoara galaxia si la cat de usor poate scapa radiatia ionizanta din ea: exact intrebarea pusa galaxiilor despre care se crede ca au ajutat la reionizarea universului timpuriu.

Padurea Lyman-alpha

Acum intoarce geometria. Indreapta un telescop spre un quasar stralucitor si indepartat si imprastie lumina lui intr-un spectru. Chiar inainte de lungimea de unda Lyman-alpha, stralucirea neteda se rupe intr-un desis dens de linii intunecate de absorbtie, zeci sau sute, inghesuite. Acel desis este padurea Lyman-alpha, iar fiecare linie este umbra unui nor de hidrogen pe care lumina quasarului l-a traversat in drumul spre noi.

Un singur nor ar lasa o singura linie. Dar lumina unui quasar indepartat traverseaza multe aglomerari si filamente separate de gaz, fiecare la o distanta diferita, deci la un redshift diferit. Fiecare absoarbe la 1216 ångström in propriul cadru, dar pana cand acea umbra ajunge la noi, universul in expansiune a intins-o la o lungime de unda mai mare, cu o cantitate care depinde de cat de departe sta norul. Rezultatul nu este o singura linie, ci un pieptene intreg intins prin spectru: o padure, fiecare copac marcand un nor la propria lui distanta.

Ce traseaza padurea

Gazul care produce aceste linii este mediul intergalactic: hidrogenul subtire care umple spatiul dintre galaxii, tras de-a lungul aceleiasi retele cosmice de filamente si foi pe care o traseaza galaxiile. Unde reteaua este mai densa, absorbtia este mai adanca; unde este rara, trece mai multa lumina. Deci padurea este o harta a materiei obisnuite din universul timpuriu, citita nu din ce straluceste, ci din ce se silueteaza pe o lampa de fundal. Este cea mai bogata la redshift mare, aproximativ redshift 2 si dincolo, unde linia Lyman-alpha intinsa cade in banda vizibila si gazul intervenient este destul de gros ca sa lase o padure densa.

O rigla la marginea hartii

De aceea survey-uri ca DESI sunt interesate de ea. Survey-urile de galaxii raman pana la urma fara galaxii destul de luminoase pentru masurare la cele mai mari distante, dar quasarii stralucitori sunt vizibili mult mai departe, iar padurile lor Lyman-alpha poarta aceeasi rigla acustica barionica imprimata pe toata materia. Coreland absorbtia de-a lungul multor linii de vedere catre quasari si coreland-o incrucisat cu quasarii insisi, DESI recupereaza scara acustica la redshifturi peste 2, extinzand harta expansiunii cosmice intr-o era unde galaxiile singure nu mai ajung.

O sonda a universului ionizant

Padurea este si un indicator sensibil al cat de ionizat este universul. Cea mai mare parte a hidrogenului intergalactic nu este neutra deloc: este tinuta ionizata de lumina ultravioleta de la galaxii si quasari, si doar mica fractiune care ramane neutra produce absorbtie Lyman-alpha. Asa ca adancimea si textura padurii depind de forta acelui fundal ionizant, care la randul lui depinde de cat de usor scapa fotonii ionizanti din galaxiile care ii produc. Aici se inchide cercul cu emisia Lyman-alpha de mai sus: radiatia ionizanta care scapa si pe care astronomii incearca sa o prinda in jurul galaxiilor individuale este cea care alimenteaza acel fundal, astfel incat halourile galaxiilor si padurea dintre ele devin doua moduri de a citi aceeasi fizica. Studiind ce galaxii lasa lumina ionizanta sa scape, studiezi ce modeleaza padurea; citind atent padurea, constrangi bugetul ionizant al intregului cosmos.

Intr-o fraza

Linia Lyman-alpha, tranzitia hidrogenului la 1216 ångström, ajunge la noi in doua feluri: ca emisie, luminand galaxii indepartate si halourile de gaz din jurul lor, si ca padure de absorbtie pe care lumina unui quasar o aduna pe drumul spre noi; prima ii ajuta pe astronomi sa gaseasca galaxii si sa masoare cum le scapa radiatia, a doua mapeaza gazul dintre galaxii si masoara expansiunea cosmica pana acolo unde galaxiile se termina.