Lyman Alpha Absorptionssysteme

Der Lyman-$\alpha$Forest- und Gunn-Peterson-Tröge sind zwei Extreme auf der Skala der Absorptionsmerkmale, die neutraler Wasserstoff im intergalaktischen Raum hinterlässt.

Wenn ultraviolettes Licht von einer Hintergrundquelle, typischerweise einem Quasar oder einer jungen, stark sternbildenden Galaxie, durch den intergalaktischen Raum wandert, wird es auf dem Weg zu unseren Detektoren kontinuierlich rotverschoben. Wenn Sie unterwegs auf Systeme von HI stoßen, wie in diesem Video gezeigt wird .

Was in diesen Videos gezeigt wird, sind nur Ly$\alpha$Waldsysteme, also Wasserstoffwolken mit einer Säulendichte von weniger als$N \approx 10^{16}$. Dichtere Systeme hinterlassen tiefere, breitere Absorptionsprofile im UV-Kontinuum der Quelle, die sogenannte Lyman-Grenze ($10^{16} < N < 10^{21}$) oder gedämpftes Lyman Alpha ($N > 10^{21}$) Systeme; aber das Prinzip ist das gleiche: Die Wellenlänge jedes Absorptionsmerkmals zeigt die Rotverschiebung und damit die Entfernung von uns (und der Quelle), bei der es sich befindet. Ein Beispiel für eine$z \approx 3$Quasarspektrum mit starkem Ly$\alpha$Wald und zwei DLA-Systeme bei den Rotverschiebungen 2,4 und 2,5 sind hier dargestellt:

Bereits hieraus ergeben sich einige kosmologische Anwendungen:

1. Die Wellenlängen-Distanz-Abbildung ermöglicht es, die Dichte von Systemen unterschiedlicher Masse bei unterschiedlichen Rotverschiebungen entlang einer bestimmten Sichtlinie abzubilden. Diese HI-Wolken werden verteilt, indem sie in die Potentialtöpfe der Dunklen Materie fallen, sie zeichnen die Massenverteilung des Universums nach, nicht nur die Verteilung der leuchtenden Materie, wie es emittierende Galaxien oder Quasare tun.

2. Das dichteste dieser Systeme, die Spur der frühen Galaxien der DLA. Sie sind zwar viel seltener als die Ly$\alpha$Waldsysteme und Lyman-Grenzsysteme, sie sind viel dichter und enthalten die große Mehrheit des neutralen Gases im Universum – also MÜSSEN sie die Reservoirs sein, aus denen Galaxienbildungsmaterial gezogen wird. DLAs sind jedoch auf Systeme mit größerer Ausdehnung ausgerichtet, was nicht dasselbe ist wie die leuchtenderen Systeme. Daher bieten DLAs eine wertvolle ergänzende Methode zur Kartierung der Galaxienentstehung in der Geschichte und helfen uns dabei, die inhärenten Selektionsverzerrungen zu überwinden, die sich aus der Beobachtung von Galaxien in Emission ergeben. Da die Galaxienbildung auch an die Verteilung der Dunklen Materie im Universum und ihre Entwicklung mit Rotverschiebung gekoppelt ist, kann uns dies auch dabei helfen, Modelle der Dunklen Materie auf die gleiche Weise einzuschränken wie Studien von Lyman Alpha Emitters, Lyman Break Galaxies, Luminous InfraRed Galaxies (LIRGs ) tun können, mit jeweils unterschiedlicher Ausrichtung.

Gunn-Peterson-Tröge und die Epoche der Reionisierung

Wie das OP feststellt, war das Universum weitgehend neutral. Ab etwa 300.000 Jahren nach dem Urknall wird der kosmische Mikrowellenhintergrund zu diesem Zeitpunkt emittiert, da dies das erste Mal war, dass das Universum zum Zeitpunkt der Emission für die Wellenlänge des CMB transparent wurde , und diese Photonen konnten sich frei bewegen. Das Universum war jedoch nicht transparent für Strahlung mit Wellenlängen, die kürzer als die Ionisationswellenlänge von Wasserstoff (912 Å) waren, oder für die starken Übergänge in neutralem Wasserstoff, von denen Ly$\alpha$ist mit Abstand am stärksten. Noch wichtiger ist, dass Licht, das von einer hypothetischen Quelle in diesem neutralen Universum ausgestrahlt wird, rotverschoben wird, wenn es durch dieses hindurchgeht, was bedeutet, dass alles Licht in Richtung Ly blau ist$\alpha$kontinuierlich in die Absorption rotverschoben, wobei nur Fluss auf der roten Seite von Ly verbleibt$\alpha$Linienzentrum. Bei einer Rotverschiebung wird das Universum jedoch vollständig reionisiert, wonach Photonen blauer als Ly sind$\alpha$bei dieser Rotverschiebung sind unbeeinflusst und können sich frei bewegen. Das Ergebnis ist eine tiefe Mulde mit fast Null-Fluss, die von Lyman reicht$\alpha$bei der Rotverschiebung des Emitters nach Lyman$\alpha$bei der Rotverschiebung, wo die Reionisation stattfindet.

Wie das OP feststellt, ist die Reionisierung jedoch weder ein glatter, homogener noch ein sofortiger Prozess, sodass die obige Ansicht stark idealisiert ist. Die Reionisation setzte bereits mit der Entstehung der ersten Sterne ein, zumindest schon bei der Rotverschiebung$z=11$, wahrscheinlich höher. Es begann in kleinen Blasen, die wuchsen, sich zu überlappen begannen und mit der Zeit nur kleine „Inseln“ aus neutralem Wasserstoff zurückließen, wie hier dargestellt (aus einem großartigen Übersichtsartikel von Mark Dijkstra):

In der obigen Abbildung scheint die Reionisierung bereits vollständig zu sein$z \approx 8$, aber es schwimmt immer noch genug neutraler Wasserstoff herum, um es für Ly undurchsichtig zu machen$\alpha$- so klein wie ein neutraler Bruchteil$\sim 10^{-3}$reicht, so Ly$\alpha$markiert nur das Ende des Prozesses der Reionisierung, um$z \sim 6$.

Dies zeigt sich in unseren Spektren, wenn wir uns höheren Rotverschiebungen nähern, dass die Ly$\alpha$Waldsysteme werden in unserem Spektrum dichter und dichter, bis sie sich zu überlappen beginnen und nur noch einen kleinen Bruchteil des intrinsischen Flusses blauwärts von Ly hinterlassen$\alpha$. Wann genau bewegen wir uns von einer sehr dichten Ly$\alpha$Fores zu einem echten Gunn-Peterson Trough ist ein bisschen wischiwaschi, wenn man in das Spektrum schaut. Unten ist eine Abbildung aus dem ersten Papier, das die Beobachtung eines GP-Tiefs berichtet ; nur das unterste Panel wird von den Autoren als GP-Trog angesehen.

Interessanterweise zeigen GP-Täler, die in Quasar- und Galaxienspektren beobachtet wurden, leicht unterschiedliche Werte der Rotverschiebung am Ende der Reionisierung. Dies liegt daran, dass Quasare dazu neigen, sich in den Regionen mit der höchsten Dichte zu sammeln, die zuerst reionisieren. Diese Quasare können sich in riesigen Blasen befinden, die früher reionisiert werden als das Universum als Ganzes und seine Ly$\alpha$Linie kann in "Sicherheit" rotverschoben werden, bevor sie auf neutralen Wasserstoff trifft. Junge Ly$\alpha$emittierende Galaxien sind ein etwas besserer Indikator für den allgemeinen Reionisationszustand des Universums, wie ausführlicher in Mark Dijkstras Übersichtsartikel beschrieben wird.

Eine richtige Bestimmung dieser Rotverschiebung muss natürlich auch über eine große Anzahl von Sichtlinien gemittelt werden.

Zusammenfassung

• Der Lymann$\alpha$Der Wald wird mit Rotverschiebung dichter und dichter, bis er keinen Fluss mehr hinterlässt und zu einem Gunn-Peterson-Trog wird. Dies ist das Ende der Reionisierung, denn Ly$\alpha$ist sehr empfindlich gegenüber sogar kleinen Mengen an Rest-HI.
• Die Ly$\alpha$Forest kann verwendet werden, um die großräumige Struktur der Dunklen Materie des Universums und ihre Entwicklung zu verfolgen.
• Gedämpfter Lyman$\alpha$Absorbersysteme können als Tracer der Entstehungsgeschichte von Galaxien komplementär zu Beobachtungen in Emission verwendet werden, da DLAs eher nach Größe als nach Leuchtkraft ausgewählt werden.