Лес Лайман-альфа (Ly _α -лес) — многократное повторение абсорбционной линии Лайман-альфа в спектрах далеких астрономических объектов . Для очень далёких объектов это явление может быть настолько сильным, что вызывает значительный спад интенсивности в некотором интервале частот; это называется эффектом Ганна — Петерсона .

Ly _α -лес возникает из-за облаков нейтрального водорода , через которые проходит свет от наблюдаемого объекта. Эти облака находятся на разных красных смещениях z . Длины волн линий, которые добавляет к спектру объекта каждое такое облако, зависят от его красного смещения. В результате густота и интенсивность этих линий несет в себе информацию о состоянии межгалактического газа , находящегося по пути следования принимаемого света.

Линия Лайман-альфа водорода лежит (в лабораторных условиях) на длине волны 1215,668 ангстрем (1,216⋅10 ⁻⁷ м), что отвечает частоте 2,47⋅10 ¹⁵ Гц . Таким образом, она лежит в ультрафиолетовой части электромагнитного спектра , однако из-за большой удалённости (сильного красного смещения) она смещается в видимый диапазон , что даёт возможность детектировать её даже наземными средствами наблюдения.

Физика эффекта

Серия Лаймана состоит из значений энергии, необходимой для возбуждения электрона в атоме водорода с первого наинизшего уровня в более высокие состояния, или наоборот — выделяющейся при переходе электрона на первый уровень с вышележащего. В частности, согласно формуле Ридберга , разность энергий между первым (n=1) и вторым (n=2) возбуждённым состоянием соответствует фотону с длиной волны 1216 Å . Так что если свет с длиной волны 1216 Å проходит через скопление нейтральных атомов водорода, они будут поглощать фотоны этого света, используя их для возбуждения своих электронов с первого уровня на второй. И чем больше таких атомов водорода окажется на пути света, тем большее число фотонов с длиной волны 1216 Å будет поглощено. Количественно это выражается в провале в функции интенсивности детектируемого наблюдателем на Земле света в зависимости от длины волны.

Однако можно получать таким образом информацию не только о числе нейтральных атомов водорода на пути следования света от некоего источника, но и о расстоянии до них — благодаря расширению Вселенной. Если источник фотонов достаточно далёк, то они по мере следования к нам испытывают сильное красное смещение , их длина волны увеличивается. Между тем атомы водорода поглощают в том числе и фотоны, которые изначально обладали более высокой энергией, но за время, прошедшее с момента их испускания, покрасневшие до 1216 Å. Далее, если источником излучения является квазар , то его спектр содержит практически все возможные длины волн, в частности, и сильно выраженную линию испускания Лайман-альфа также на 1216 Å. Так как фотоны с ${\displaystyle \lambda }$ = 1216 Å поглощаются нейтральным водородом, можно заключить, что в момент своего поглощения некий фотон имел именно эту длину волны. Очевидно, она была меньшей в момент испускания квазаром, а за время, необходимое для прохождения от поглощающего атома водорода до наблюдателя на Земле, увеличилась бы ещё больше. Так что мы наблюдаем провал в том месте спектра испускания, где находится длина волны того фотона, который имел длину волны 1216 Å в момент поглощения атомом водорода по пути от квазара до наблюдателя. Это можно записать как ${\displaystyle \lambda _{obs}=\lambda _{rest}(1+z)}$ , где ${\displaystyle \lambda _{obs}}$ — провал в наблюдаемом спектре, ${\displaystyle \lambda _{rest}}$ = 1216 Å, z — красное смещение поглощающего излучение атома водорода; то есть зная темп расширения Вселенной , можно вычислить, на каком именно красном смещении (то есть на каком расстоянии от нас) находится этот атом водорода . Таким образом, на основании детектируемой совокупности линий поглощения можно делать выводы о расположении облаков нейтрального водорода на линии следования света от квазара.

Межгалактическая среда содержит довольно много нейтрального водорода, поэтому в наблюдаемом спектре квазаров присутствует множество таких линий поглощения, получивших название леса Лайман-альфа. Плотность таких систем составляет ${\displaystyle 10^{14}-10^{16}}$ атомов на квадратный сантиметр . Если же на некотором участке плотность увеличивается до ${\displaystyle 10^{17}}$ см ⁻² , то излучение квазара неспособно проникнуть во внутреннюю область такой системы, где остаётся нейтральный водород, экранированный внешним слоем. Исторически такие объекты называются Лаймановского предела , так как им соответствует резкий обрыв в спектре на ${\displaystyle \lambda _{rest}}$ = 912 Å — это энергия, необходимая для ионизации атома водорода. Наконец, если плотность увеличивается до ${\displaystyle 10^{20}}$ см ⁻² и выше, то в спектре наблюдается широкий провал — , так как всё излучение на этом участке поглощается. Основной вклад в соответствующую часть спектра дают «крылья» Лоренцева распределения интенсивности, описывающего естественное уширение спектральной линии поглощения.

Эффект Ганна — Петерсона

Облака нейтрального водорода эффективно поглощают свет на длинах волн от Lα (1216 Å) до лаймановского предела, образуя в спектре источника т. н. «Lα-лес». Излучение, изначально более коротковолновое, чем на пути к нам, из-за расширения Вселенной поглощается там, где его длина волны сравняется. Сечение взаимодействия очень большое и расчет показывает, что малой доли нейтрального водорода достаточно для создания большой депрессии в непрерывном спектре. Учитывая масштаб межгалактической среды, легко прийти к выводу, что провал в спектре будет на довольно широком интервале. Длинноволновая граница этого интервала обусловлена Lα, а коротковолновая зависит от ближайшего красного смещения, ближе которого среда ионизована.

Эффект Ганна — Петерсона наблюдается в спектрах квазаров с красным смещением z>6. Отсюда делается вывод, что эпоха ионизации межгалактического газа началась с z≈6.

Эволюция спектров квазаров

Применение в космологии

• Крупномасштабная структура Вселенной . Межгалактические области, соответствующие лесу Лайман-альфа, имеют довольно малую массу по сравнению с галактиками, поэтому их эволюцию легче смоделировать численно, учитывая лишь действие гравитации. Такое моделирование коллапса начальных флуктуаций плотности под действием гравитации даёт результаты, согласующиеся с наблюдаемым спектром квазаров.
• Тёмная материя . Так как области Лайман-альфа представляют собой газ, падающий в потенциальные ямы, образованные не только видимой, но и тёмной материей, то такие наблюдения позволяют отследить и распределение тёмной материи во Вселенной. Кроме того, они помогают и ввести ограничения на свойства тёмной материи: наблюдаемая структура на малых масштабах (порядка карликовых галактик ) свидетельствует против горячей тёмной материи, которая, присутствуя в больших количествах, стёрла бы такую структуру, сделала бы её однородной .
• Первичный нуклеосинтез . Системы Лайман-альфа могут содержать не только обычный водород, но и дейтерий, сформированный в первые 3 минуты существования Вселенной в ходе первичного нуклеосинтеза. Он также может поглощать излучение квазаров, так что по тому же принципу можно делать выводы о распространённости дейтерия и, как следствие , такой фундаментальной величине, как плотность барионной материи .
• Космологическая постоянная . Расстояние до объекта с неким красным смещением определяется темпом расширения Вселенной. Угловая же протяжённость объекта также зависит от него, но по другому закону. Так что можно сравнивать угловое и радиальное расстояния до объекта . А зная их соотношение для данного объекта из других соображений, можно получить информацию о законе расширения Вселенной в различные периоды её истории, в частности, о космологической постоянной, отвечающей за ускоренное расширение.

Примечания

Литература