Lyman-alpha šuma

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Kompjuterska simulacija Lyman-alpha šume na z = 3

Lyman-alfa šuma (Ly α- šuma) - višestruko ponavljanje Lyman-alfa apsorpcione linije u spektrima udaljenih astronomskih objekata. Za veoma udaljene objekte ova pojava može biti toliko jaka da uzrokuje značajno smanjenje intenziteta u određenom frekvencijskom opsegu; ovo se zove Gunn-Petersonov efekat .

Ly α -šuma nastaje iz oblaka neutralnog vodonika kroz koje prolazi svjetlost posmatranog objekta. Ovi oblaci su na različitim crvenim pomacima z . Talasne dužine linija koje svaki takav oblak dodaje spektru objekta zavise od njegovog crvenog pomaka. Kao rezultat toga, gustoća i intenzitet ovih linija nosi informaciju o stanju međugalaktičkog plina duž putanje primljene svjetlosti.

Lyman-alfa vodonična linija leži (u laboratorijskim uslovima) na talasnoj dužini od 1215,668 angstroma (1,216⋅10 −7 m), što odgovara frekvenciji od 2,47⋅10 15 Hz. Dakle, leži u ultraljubičastom dijelu elektromagnetnog spektra, međutim, zbog velike udaljenosti (jakog crvenog pomaka), pomiče se u vidljivi opseg, što ga omogućava detektirati čak i pomoću zemaljskih uređaja za promatranje.

Efekat fizike

Lymanova serija se sastoji od vrijednosti energije potrebne da se elektron u atomu vodika pobuđuje iz prvog najnižeg nivoa u viša stanja, ili obrnuto – oslobođene prilikom prelaska elektrona na prvi nivo sa višeg. Konkretno, prema Rydbergovoj formuli , razlika u energiji između prvog (n = 1) i drugog (n = 2) pobuđenog stanja odgovara fotonu sa talasnom dužinom od 1216 Å . Dakle, ako svjetlost s talasnom dužinom od 1216 Å prođe kroz klaster neutralnih atoma vodika, oni će apsorbirati fotone te svjetlosti, koristeći ih da pobuđuju svoje elektrone s prvog nivoa na drugi. I što je više takvih atoma vodonika na putu svjetlosti, to će se više fotona s talasnom dužinom od 1216 Å apsorbirati. Kvantitativno, ovo se izražava kao pad kao funkcija intenziteta svjetlosti koju je otkrio posmatrač na Zemlji, ovisno o talasnoj dužini.

Međutim, na ovaj način moguće je dobiti informacije ne samo o broju neutralnih atoma vodika duž putanje svjetlosti iz određenog izvora, već io udaljenosti do njih - zbog širenja Univerzuma. Ako je izvor fotona dovoljno daleko, onda dok nas prate, doživljavaju snažan crveni pomak , njihova talasna dužina se povećava. U međuvremenu, atomi vodonika takođe apsorbuju fotone, koji su u početku imali veću energiju, ali su u vremenu proteklom od njihove emisije pocrveneli na 1216 Å. Nadalje, ako je izvor zračenja kvazar , tada njegov spektar sadrži praktički sve moguće valne dužine, posebno, i jako izraženu Lyman-alfa emisionu liniju također na 1216 Å. Pošto fotoni sa = 1216 Å apsorbuje neutralni vodonik, možemo zaključiti da je u trenutku njegove apsorpcije određeni foton imao upravo ovu talasnu dužinu. Očigledno je bio manji u trenutku emisije kvazara, a tokom vremena potrebnog za prelazak od apsorbirajućeg atoma vodonika do posmatrača na Zemlji, još bi se povećao. Tako uočavamo pad u onom dijelu emisionog spektra gdje se nalazi valna dužina fotona, koji je imao valnu dužinu od 1216 Å u trenutku apsorpcije od strane atoma vodika na svom putu od kvazara do posmatrača. Ovo se može napisati kao , gdje - pad u posmatranom spektru, = 1216 Å, z je crveni pomak atoma vodika koji apsorbira zračenje; odnosno, znajući brzinu širenja Univerzuma, moguće je izračunati na kom je crvenom pomaku (tj. na kojoj udaljenosti od nas) ovaj atom vodonika. Dakle, na osnovu detektovanog skupa apsorpcionih linija, može se izvesti zaključak o lokaciji oblaka neutralnog vodonika na liniji svetlosti iz kvazara.

Međugalaktički medij sadrži dosta neutralnog vodika, stoga u promatranom spektru kvazara postoji mnogo takvih apsorpcionih linija, koje se nazivaju Lyman-alfa šuma. Gustina takvih sistema je atoma po kvadratnom centimetru [1] . Ako se na određenom području gustina poveća na cm −2 , tada zračenje kvazara nije u stanju da prodre u unutrašnju oblast takvog sistema, gde ostaje neutralni vodonik, zaklonjen spoljnim slojem. Istorijski gledano, takvi objekti se nazivaju sistemi Lymanove granice , jer odgovaraju oštrom graničnom dijelu spektra na = 912 Å je energija potrebna za jonizaciju atoma vodonika. Konačno, ako se gustina poveća na cm −2 i više, uočava se veliki pad u spektru - Lymanova supresija , jer se svo zračenje u ovoj sekciji apsorbuje. Glavni doprinos odgovarajućem dijelu spektra daju “krila” Lorentzove raspodjele intenziteta, koja opisuje prirodno proširenje apsorpcione spektralne linije.

Gunn-Petersonov efekat

Oblaci neutralnog vodonika efikasno apsorbuju svetlost na talasnim dužinama od Lα (1216 Å) do Limanove granice, formirajući tzv. "Lα-šuma". Zračenje, u početku kraće talasne dužine nego što je na putu do nas, usled širenja Univerzuma, apsorbuje se tamo gde mu talasna dužina postaje jednaka. Poprečni presjek interakcije je vrlo velik i proračun pokazuje da je mali dio neutralnog vodonika dovoljan da stvori veliku depresiju u kontinuiranom spektru. S obzirom na skalu međugalaktičkog medija, lako je zaključiti da će pad u spektru biti u prilično širokom intervalu. Dugovalna granica ovog intervala je zbog Lα, a kratkovalna ovisi o najbližem crvenom pomaku, bliže kojem je medij ioniziran.

Gunn - Petersonov efekat je uočen u spektrima kvazara sa crvenim pomacima z> 6. Otuda se zaključuje da je epoha jonizacije međugalaktičkog gasa počela od z≈6.

Evolucija spektra kvazara

Primjena u kosmologiji

  • Struktura univerzuma velikih razmjera . Intergalaktičke regije koje odgovaraju Lyman-alfa šumi imaju prilično malu masu u odnosu na galaksije, pa je njihovu evoluciju lakše numerički simulirati, uzimajući u obzir samo djelovanje gravitacije. Ova simulacija kolapsa početne fluktuacije gustine pod dejstvom gravitacije daje rezultate koji su u skladu sa posmatranim spektrom kvazara.
  • Tamna materija . Budući da su Lyman-alfa regije plin koji pada u potencijalne rupe formirane ne samo od vidljive, već i od tamne materije, takva zapažanja omogućavaju praćenje raspodjele tamne tvari u svemiru. Osim toga, oni pomažu da se uvedu ograničenja na svojstva tamne tvari: promatrana struktura na maloj skali (reda patuljastih galaksija ) svjedoči protiv vruće tamne tvari, koja bi, ako je prisutna u velikim količinama, izbrisala takvu strukturu i učiniti ga homogenim [2] .
  • Primarna nukleosinteza . Lyman-alfa sistemi mogu sadržavati ne samo običan vodonik, već i deuterijum, nastao u prve 3 minute postojanja Univerzuma u toku primarne nukleosinteze. Također može apsorbirati zračenje kvazara, tako da se po istom principu mogu izvesti zaključci o obilju deuterija i, kao posljedica toga [3] , takve fundamentalne veličine kao što je gustina barionske materije [4] .
  • Kosmološka konstanta . Udaljenost do objekta s određenim crvenim pomakom određena je brzinom širenja Univerzuma. Od toga zavisi i ugaona dužina objekta, ali po drugom zakonu. Tako možete uporediti ugaone i radijalne udaljenosti do objekta . A znajući njihov omjer za dati objekt iz drugih razmatranja, može se dobiti informacija o zakonu širenja Univerzuma u različitim periodima njegove povijesti, posebno o kosmološkoj konstanti odgovornoj za ubrzano širenje.

Bilješke (uredi)

  1. Vještačka vrijednost dobijena umnoškom broja atoma po cm −3 i dužine oblaka vodika u cm i time jednaka po značenju broju atoma u zapremini stuba sa visinom oblaka i krstom presjek od 1 cm −2
  2. Joel R. Primack. Tamna materija, galaksije i struktura velikih razmjera u svemiru . Predavanja održana na Međunarodnoj školi fizike “Enrico Fermi” Varena, Italija (1984).
  3. Edward L. Wright (preveo V. G. Misovets). Nukleosinteza Velikog praska . Udžbenik kosmologije Neda Wrighta .
  4. Balashev S.A. Međuzvjezdani oblaci molekularnog vodonika u ranim fazama evolucije Univerzuma (2011). - Sažetak disertacije za zvanje kandidata fizičko-matematičkih nauka.

Književnost