В астрономической спектроскопии лес Лайман -альфа представляет собой серию линий поглощения в спектрах далеких галактик и квазаров , возникающих в результате электронного перехода Лайман-альфа нейтрального атома водорода . Когда свет проходит через несколько газовых облаков с разным красным смещением, образуется несколько линий поглощения.
Лес Лайман-альфа был впервые обнаружен в 1970 году астрономом Роджером Линдсом при наблюдении квазара 4C 05.34 . [1] Квазар 4C 05.34 был самым дальним объектом, наблюдаемым на тот момент, и Линдс отметил необычно большое количество линий поглощения в его спектре и предположил, что большинство линий поглощения возникли из-за одного и того же перехода Лайман-альфа . [2] Последующие наблюдения Джона Бакколла и Сэмюэля Голдсмита подтвердили наличие необычных линий поглощения, хотя они и не дали убедительных данных о происхождении этих линий. [3] Впоследствии было обнаружено, что спектры многих других квазаров с большим красным смещением имеют такую же систему узких линий поглощения. Линдс был первым, кто описал их как «лес Лайман-альфа». [4] Ян Оорт утверждал, что особенности поглощения обусловлены не какими-либо физическими взаимодействиями внутри самих квазаров, а поглощением внутри облаков межгалактического газа в сверхскоплениях. [5]
Для нейтрального атома водорода спектральные линии образуются при переходе электрона между энергетическими уровнями. Спектральные линии Лаймана возникают в результате перехода электронов между основным состоянием и более высокими энергетическими уровнями (возбужденными состояниями). Переход Лаймана-альфа соответствует переходу электрона между основным состоянием ( n = 1) и первым возбужденным состоянием ( n = 2). Спектральная линия Лайман-альфа имеет лабораторную длину волны (или длину волны покоя) 1216 Å , которая находится в ультрафиолетовой части электромагнитного спектра . [6]
Линии поглощения Лайман-альфа в спектрах квазаров возникают из-за межгалактического газа, через который прошел свет галактики или квазара. Поскольку облака нейтрального водорода в межгалактической среде имеют разную степень красного смещения (из-за разного расстояния от Земли), их линии поглощения наблюдаются в диапазоне длин волн . Каждое отдельное облако оставляет свой отпечаток в виде линии поглощения в другом месте наблюдаемого спектра .
Лес Лайман-Альфа является важным зондом межгалактической среды и может использоваться для определения частоты и плотности облаков, содержащих нейтральный водород , а также их температуры. В поисках линий других элементов, таких как гелий , углерод и кремний (совпадающих по красному смещению ), также можно изучить содержание более тяжелых элементов в облаках. Облако с высокой плотностью столба нейтрального водорода будет иметь типичные затухающие крылья вокруг линии и называется затухающей системой Лайман-альфа .
Для квазаров с более высоким красным смещением количество линий в лесу больше, вплоть до красного смещения около 6, когда в межгалактической среде становится так много нейтрального водорода, что лес превращается в впадину Ганна-Петерсона . Это показывает конец реионизации Вселенной .
Наблюдения за лесом Лайман-альфа можно использовать для уточнения космологических моделей. [7] Их также можно использовать для ограничения свойств темной материи, таких как масштаб свободного потока темной материи, который для тепловых реликтовых моделей темной материи тесно связан с массой частиц темной материи.