Bosque Lyman-alfa

En espectroscopia astronómica, el bosque de Lyman-alfa es una serie de líneas de absorción en los espectros de galaxias distantes y quásares que surgen de la transición electrónica Lyman-alfa del átomo de hidrógeno neutro. A medida que la luz viaja a través de múltiples nubes de gas con diferentes corrimientos al rojo, se forman múltiples líneas de absorción.

Historia

El bosque Lyman-alfa fue descubierto por primera vez en 1970 por el astrónomo Roger Lynds en una observación del cuásar 4C 05.34. Quasar 4C 05.34 fue el objeto más lejano observado hasta esa fecha, y Lynds notó un número inusualmente grande de líneas de absorción en su espectro y sugirió que la mayoría de las líneas de absorción se debían a la misma transición Lyman-alfa. Las observaciones de seguimiento realizadas por John Bahcall y Samuel Goldsmith confirmaron la presencia de líneas de absorción inusuales, aunque fueron menos concluyentes sobre el origen de las líneas. Posteriormente, se observó que los espectros de muchos otros quásares de alto corrimiento al rojo tenían el mismo sistema de líneas de absorción estrechas. Lynds fue el primero en describirlos como el "bosque Lyman-alfa". Jan Oort argumentó que las características de absorción no se deben a interacciones físicas dentro de los propios quásares, sino a la absorción dentro de nubes de gas intergaláctico en supercúmulos.

Antecedentes físicos

Para un átomo de hidrógeno neutro, las líneas espectrales se forman cuando un electrón realiza una transición entre niveles de energía. La serie Lyman de líneas espectrales es producida por electrones en transición entre el estado fundamental y niveles de energía más altos (estados excitados). La transición Lyman-alfa corresponde a una transición de electrón entre el estado fundamental (n = 1) y el primer estado excitado (n = 2). La línea espectral Lyman-alfa tiene una longitud de onda de laboratorio (o longitud de onda en reposo) de 1216 Å, que se encuentra en la porción ultravioleta del espectro electromagnético.

Las líneas de absorción de Lyman-alfa en los espectros del cuásar resultan del gas intergaláctico a través del cual ha viajado la galaxia o la luz del cuásar. Dado que las nubes de hidrógeno neutro en el medio intergaláctico tienen diferentes grados de corrimiento al rojo (debido a su diferente distancia de la Tierra), sus líneas de absorción se observan en un rango de longitudes de onda. Cada nube individual deja su huella como una línea de absorción en una posición diferente en el espectro observado.

Utilizar como herramienta en astrofísica

El bosque Lyman-alfa es una importante sonda del medio intergaláctico y puede utilizarse para determinar la frecuencia y densidad de las nubes que contienen hidrógeno neutro, así como su temperatura. Al buscar líneas de otros elementos como helio, carbono y silicio (que coinciden en el corrimiento al rojo), también se puede estudiar la abundancia de elementos más pesados en las nubes. Una nube con una alta densidad de columna de hidrógeno neutro mostrará las típicas alas amortiguadoras alrededor de la línea y se denomina sistema Lyman-alfa amortiguado.

Para los quásares con un corrimiento al rojo más alto, el número de líneas en el bosque es mayor, hasta un corrimiento al rojo de aproximadamente 6, donde hay tanto hidrógeno neutro en el medio intergaláctico que el bosque se convierte en una depresión de Gunn-Peterson. Esto muestra el fin de la reionización del universo.

Las observaciones del bosque Lyman-alfa se pueden utilizar para limitar los modelos cosmológicos. También se pueden utilizar para limitar las propiedades de la materia oscura, como la escala de flujo libre de materia oscura, que para los modelos de materia oscura de reliquias térmicas está estrechamente relacionada con la masa de las partículas de materia oscura.