Абсорбционные системы Lyman Alpha

Лиман-$\alpha$Впадины Фореста и Ганна-Петерсона — две крайности по шкале абсорбционных особенностей, которые оставляет нейтральный водород в межгалактическом пространстве.

Когда ультрафиолетовый свет от фонового источника, обычно квазара или молодой галактики с активным звездообразованием, проходит через межгалактическое пространство, он постоянно смещается в красную сторону на пути к нашим детекторам. При встрече систем ГИ на своем пути, как показано в этом видео .

То, что показано в этих видео, только Ли$\alpha$лесные системы, то есть водородные облака с плотностью столба менее$N \approx 10^{16}$. Более плотные системы оставляют более глубокие и широкие профили поглощения в УФ-континууме источника, так называемый предел Лаймана ($10^{16} < N < 10^{21}$) или Демпфированный Лайман Альфа ($N > 10^{21}$) системы; но принцип тот же: длина волны каждого элемента поглощения показывает красное смещение и, следовательно, расстояние от нас (и источника), на котором он находится. Пример$z \approx 3$Спектр квазара с сильным Ly$\alpha$Лес и две системы DLA на красных смещениях 2,4 и 2,5 показаны здесь:

Уже из этого доступна пара космологических приложений:

1. Картирование длины волны-расстояния позволяет отображать плотность систем разной массы при разном красном смещении вдоль определенного луча зрения. Эти облака HI распространяются, попадая в потенциальные колодцы Темной Материи, они прослеживают распределение массы Вселенной, а не только распределение светящейся материи, как это делают излучающие галактики или квазары.

2. Самая плотная из этих систем — ранние галактики DLA. Хотя они гораздо реже, чем Ly$\alpha$Лесные системы и системы Лимана Лаймана, они намного плотнее и содержат большую часть нейтрального газа во Вселенной, поэтому они ДОЛЖНЫ быть резервуарами, из которых извлекается материал для образования галактик. Однако DLA смещены в сторону систем большей протяженности, что не то же самое, что более светящиеся системы. Таким образом, DLA обеспечивают ценный дополнительный способ картографирования формирования галактик в истории, помогая нам преодолеть врожденные предубеждения отбора, возникающие при наблюдении галактик в излучении. Поскольку формирование галактик также связано с распределением темной материи во Вселенной и ее эволюцией с красным смещением, это также может помочь нам ограничить модели темной материи во многом так же, как исследования Лаймановских альфа-излучателей, галактик Лайманского разрыва, светящихся инфракрасных галактик (LIRG). ) можно сделать, у каждого свой разный уклон.

Желоба Ганна-Петерсона и эпоха реионизации

Как утверждает ОП, Вселенная была в значительной степени нейтральной. Примерно через 300 000 лет после Большого взрыва - в это время излучается космический микроволновый фон, поскольку это был первый раз, когда Вселенная стала прозрачной для длины волны реликтового излучения во время излучения. , и эти фотоны могли путешествовать свободно. Однако Вселенная не была прозрачна для излучения с длинами волн короче длины волны ионизации водорода (912 Å) или для сильных переходов в нейтральном водороде, из которых Ly$\alpha$на сегодняшний день является самым сильным. Что еще более важно, свет, излучаемый гипотетическим источником в этой нейтральной Вселенной, будет смещаться в красную сторону по мере прохождения через нее, а это означает, что весь свет в синем направлении от Ly$\alpha$будет постоянно смещаться в красную сторону в сторону поглощения, оставляя только поток на красной стороне Ly$\alpha$центр линии. Однако при каком-то красном смещении Вселенная полностью реионизируется, после чего фотоны голубее, чем Ly$\alpha$при этом красном смещении не затронуты и могут свободно путешествовать. В результате получается глубокая впадина с почти нулевым потоком от Лаймана$\alpha$при красном смещении излучателя на Лайман$\alpha$на красном смещении, где происходит реионизация.

Однако, как утверждает ОП, реионизация не является ни гладким, ни гомогенным, ни мгновенным процессом, поэтому приведенная выше точка зрения сильно идеализирована. Реионизация началась уже с образованием первых звезд, по крайней мере, уже на красном смещении .$z=11$, наверное выше. Это началось с маленьких пузырьков, которые росли, начинали перекрываться и со временем оставляли после себя только маленькие «островки» нейтрального водорода, как показано здесь (взято из отличного обзора Марка Дейкстры):

На приведенном выше рисунке реионизация кажется завершенной уже около$z \approx 8$, но вокруг все еще достаточно нейтрального водорода, чтобы сделать его непрозрачным для Ly$\alpha$- настолько мала нейтральная фракция, насколько$\sim 10^{-3}$достаточно, так что Ly$\alpha$знаменует лишь самый конец процесса реионизации, около$z \sim 6$.

Как это видно из наших спектров, так это то, что по мере продвижения к более высоким красным смещениям Ly$\alpha$лесные системы становятся все плотнее и плотнее в нашем спектре, пока они не начинают перекрываться и оставлять лишь небольшую часть внутреннего потока в синем направлении от Ly.$\alpha$. Когда именно мы движемся от очень плотного Ly$\alpha$Перед истинным желобом Ганна-Петерсона немного неясно, если смотреть в спектр. Ниже приведен рисунок из первой статьи, в которой сообщается о наблюдении желоба ГП ; только самая нижняя панель считается авторами желобом GP.

Интересно, что впадины ГП, наблюдаемые в спектрах Квазара и Галактики, сообщают о немного различающихся значениях красного смещения в конце реионизации. Это связано с тем, что квазары имеют тенденцию группироваться в областях с наибольшей плотностью, которые реионизируются первыми. Эти квазары могут находиться в огромных пузырях, которые реионизируются раньше, чем Вселенная в целом, и их Ly$\alpha$линия может быть сдвинута в красную сторону в «безопасность» до того, как встретится с каким-либо нейтральным водородом. Янг Ли$\alpha$излучающие галактики несколько лучше отражают общее состояние реионизации Вселенной, как более подробно описано в обзорной статье Марка Дейкстры.

Правильное определение этого красного смещения, конечно, также требует усреднения по большому количеству линий обзора.

Резюме

• Лиман$\alpha$Лес становится все гуще и гуще с красным смещением, пока он не оставляет после себя поток и не становится желобом Ганна-Петерсона. Это самый конец реионизации, потому что Ly$\alpha$очень чувствителен даже к небольшому количеству остаточного HI.
• Ли$\alpha$Лес можно использовать для отслеживания крупномасштабной структуры Вселенной из Темной Материи и ее эволюции.
• Демпфированный Лайман$\alpha$Системы поглотителей можно использовать в качестве индикатора истории формирования галактик в дополнение к наблюдениям за эмиссией, потому что DLA выбираются по размеру, а не по светимости.