Les Lyman-alpha

Lyman-alfa-skoven (Ly α - skov) er en gentagelse af Lyman-alfa- absorptionslinjen i spektrene af fjerne astronomiske objekter . For meget fjerne objekter kan dette fænomen være så stærkt, at det forårsager et betydeligt fald i intensiteten i et bestemt frekvensområde; dette kaldes Gunn-Peterson-effekten .

Ly α -skov opstår fra skyer af neutralt brint , som lyset fra det observerede objekt passerer igennem. Disse skyer har forskellige rødforskydninger z . Bølgelængderne af de linjer, som hver sådan sky tilføjer til et objekts spektrum, afhænger af dets rødforskydning. Som et resultat bærer tætheden og intensiteten af disse linjer information om tilstanden af den intergalaktiske gas placeret langs banen for det modtagne lys.

Lyman-alfa-linjen af brint ligger (under laboratorieforhold) ved en bølgelængde på 1215,668 ångstrøm (1,216⋅10 −7 m), hvilket svarer til en frekvens på 2,47⋅10 15 Hz . Den ligger således i den ultraviolette del af det elektromagnetiske spektrum , men på grund af dens store afstand (stærk rødforskydning) skifter den til det synlige område , hvilket gør det muligt at detektere det selv ved jordbaserede observationsværktøjer.

Effektens fysik

Lyman-serien består af de energiværdier, der kræves for at excitere en elektron i et brintatom fra det første laveste niveau til højere tilstande, eller omvendt - frigivet, når en elektron passerer til det første niveau fra et højere. Især ifølge Rydberg-formlen svarer energiforskellen mellem den første (n=1) og anden (n=2) exciterede tilstand til en foton med en bølgelængde på 1216 Å . Så hvis lys med en bølgelængde på 1216 Å passerer gennem en klynge af neutrale brintatomer, vil de absorbere fotoner af dette lys og bruge dem til at excitere deres elektroner fra det første niveau til det andet. Og jo flere sådanne brintatomer er i lysets vej, desto større vil antallet af fotoner med en bølgelængde på 1216 Å blive absorberet. Kvantitativt udtrykkes dette som et dyk i intensitetsfunktionen af lyset, der detekteres af en observatør på Jorden som funktion af bølgelængde.

Det er dog muligt at opnå information på denne måde ikke kun om antallet af neutrale brintatomer langs lysets vej fra en bestemt kilde, men også om deres afstand på grund af universets udvidelse. Hvis kilden til fotoner er langt nok, så når de følger os, oplever de en stærk rødforskydning , deres bølgelængde øges. I mellemtiden absorberer brintatomer også fotoner, som oprindeligt havde en højere energi, men i løbet af den tid, der gik siden deres emission, blev røde til 1216 Å. Yderligere, hvis strålingskilden er en kvasar , så indeholder dens spektrum næsten alle mulige bølgelængder, især, og en stærkt udtalt Lyman-alfa-emissionslinje også ved 1216 Å. Da fotoner med = 1216 Å absorberes af neutralt brint, kan det konkluderes, at en bestemt foton i absorptionsøjeblikket havde præcis denne bølgelængde. Det var klart, at det var mindre i det øjeblik, hvor kvasaren udsendes, og i løbet af den tid, det krævede for passagen fra det absorberende brintatom til observatøren på Jorden, ville det være steget endnu mere. Så vi observerer et dyk i den del af emissionsspektret, hvor bølgelængden af fotonen er, som havde en bølgelængde på 1216 Å i brintatomets absorptionstid på vej fra kvasaren til observatøren. Dette kan skrives som , hvor er dykket i det observerede spektrum, = 1216 Å, z er rødforskydningen af det absorberende hydrogenatom; det vil sige, ved at kende universets ekspansionshastighed , kan du beregne præcis, hvilken rødforskydning (det vil sige i hvilken afstand fra os) dette brintatom er placeret . På baggrund af det detekterede sæt af absorptionslinjer kan man således drage konklusioner om placeringen af neutrale brintskyer langs lyslinjen fra kvasaren. $\lambda$ $\lambda _{obs}=\lambda _{rest}(1+z)$ $\lambda _{obs}$ ${\displaystyle \lambda _{rest))$

Det intergalaktiske medium indeholder ret meget neutralt brint, så det observerede spektrum af kvasarer indeholder mange sådanne absorptionslinjer, kaldet Lyman-alpha-skoven. Tætheden af sådanne systemer er atomer pr. kvadratcentimeter [1] . Hvis massefylden på den anden side stiger til cm −2 i et eller andet område , så er kvasarstrålingen ude af stand til at trænge ind i det indre område af et sådant system, hvor der forbliver neutral brint, afskærmet af det ydre lag. Historisk set kaldes sådanne objekter Lyman - grænsesystemer , da de svarer til et skarpt brud i spektret ved = 912 Å - dette er den energi, der kræves for at ionisere et brintatom. Endelig, hvis tætheden stiger til cm −2 og højere, så observeres et bredt fald i spektret - Lyman undertrykkelse , da al stråling i dette område absorberes. Hovedbidraget til den tilsvarende del af spektret kommer fra "vingerne" af Lorentz-intensitetsfordelingen, som beskriver den naturlige udvidelse af absorptionsspektrallinjen. $10^{14}-10^{16}$ $10^{17}$ ${\displaystyle \lambda _{rest))$ $10^{20}$

Gann-Peterson-effekten

Skyer af neutral brint absorberer effektivt lys ved bølgelængder fra La (1216 Å) til Lyman-grænsen og danner en såkaldt "lysstyrke" i kildens spektrum. "La-skov". Stråling, der i starten er kortere end på vej til os, på grund af universets udvidelse , absorberes, hvor dens bølgelængde er ens. Interaktionstværsnittet er meget stort, og beregningen viser, at en lille fraktion neutral brint er tilstrækkelig til at skabe en stor fordybning i det kontinuerlige spektrum. I betragtning af omfanget af det intergalaktiske medium er det let at komme til den konklusion, at dykket i spektret vil være på et ret bredt interval. Langbølgegrænsen for dette interval skyldes La, og den korte bølgelængde afhænger af den nærmeste rødforskydning, under hvilken mediet er ioniseret.

Gunn-Peterson-effekten observeres i spektrene af kvasarer med en rødforskydning på z>6. Herfra konkluderes det, at ioniseringsepoken af den intergalaktiske gas begyndte fra z≈6.

Udvikling af kvasarernes spektre

Ansøgninger i kosmologi

Universets struktur i stor skala . De intergalaktiske områder, der svarer til Lyman-alpha-skoven, har en ret lille masse sammenlignet med galakser, så deres udvikling er lettere at modellere numerisk, idet der kun tages hensyn til tyngdekraftens virkning. En sådan modellering af sammenbruddet af indledende tæthedsudsving under påvirkning af tyngdekraften giver resultater, der er i overensstemmelse med det observerede spektrum af kvasarer.
Mørkt stof . Da Lyman-alfa-regionerne er gas, der falder ned i potentielle brønde, der ikke kun er dannet af synligt, men også af mørkt stof, gør sådanne observationer det muligt at spore fordelingen af mørkt stof i universet. Derudover hjælper de også med at pålægge begrænsninger for mørkt stofs egenskaber: den observerede struktur på små skalaer (i størrelsesordenen af dværggalakser ) vidner mod varmt mørkt stof, som, hvis det er til stede i store mængder, ville slette en sådan struktur og gøre det homogent [2] .
Primær nukleosyntese . Lyman-alfa-systemer kan ikke kun indeholde almindeligt brint, men også deuterium, dannet i de første 3 minutter af universets eksistens i løbet af primær nukleosyntese. Det kan også absorbere strålingen fra kvasarer, så man efter samme princip kan drage konklusioner om forekomsten af deuterium og som en konsekvens [3] , en så fundamental størrelse som tætheden af baryonisk stof [4] .
Kosmologisk konstant . Afstanden til et objekt med en vis rødforskydning bestemmes af universets udvidelseshastighed. En genstands vinkellængde afhænger også af den, men ifølge en anden lov. Så du kan sammenligne vinkel- og radialafstande til et objekt . Og ved at kende deres forhold for et givet objekt fra andre overvejelser, kan man få information om loven om universets ekspansion i forskellige perioder af dets historie, især om den kosmologiske konstant, der er ansvarlig for accelereret ekspansion.

Noter

↑ En kunstig værdi opnået ved produktet af antallet af atomer pr. cm −3 og længden af brintskyen i cm og dermed lig med antallet af atomer i rumfanget af en søjle med en skyhøjde og en tværsnit på 1 cm −2
↑ Joel R. Primack. Mørkt stof, galakser og storskalastruktur i universet . Forelæsninger præsenteret på International School of Physics "Enrico Fermi" Varenna, Italien (1984). (ubestemt)
↑ Edward L. Wright (oversat af V. G. Misovets). Big Bang Nukleosyntese . Ned Wrights lærebog om kosmologi . Hentet 3. april 2016. Arkiveret fra originalen 31. marts 2016. (ubestemt)
↑ Balashev S.A. Interstellare skyer af molekylært brint i de tidlige stadier af universets udvikling (2011). – Resumé af afhandlingen for graden af kandidat i fysiske og matematiske videnskaber. Hentet 3. april 2016. Arkiveret fra originalen 19. august 2016. (ubestemt)