基本介紹
- 中文名：萊曼阿爾法森林
- 外文名：Lyman α forest
- 學科：天文學
- 波長：1216Å
- 來源：類星體光譜
- 作者：萊曼
簡介,萊曼α森林,性質,
簡介
直至本世紀六十年代，人類還無法探測到分布在遙遠星系際空間的物質。而對這些物質的密度、成分和分布的探測對於了解星系的形成和宇宙演化都是極為重要的。類星體及其光譜中吸收線的發現為研究星系際物質物理學提供了重要的手段。類星體是宇宙中最“明亮珍的天體，因而也是可被觀測到的最遙遠的天體。迄今觀測到的譜線紅移最高的類星體，其紅移值為Z=4.43，相應的到我們的距離約為宇宙半徑的93%。從如此遙遠天體發射的光，將通過廣闊的星系際空間才能到達地球。星系際空間的物質對光的吸收，將在類星體光譜上產生一系列的吸收線。對這些吸收線的分析研究是目前能藉以了解遙遠宇宙空間的唯一手段。
類星體光譜中的吸收線可以給我們提供產生吸收線的物質的大量信息。根據這些物質的性質，我們可以把類星體光譜中的吸收線大致分為三類:
- 由類星體本身拋射出的高速運動物質對類星體發射出的光吸收而形成的寬吸收線系統;
- 類星體發出的光通過視線方向上的星系暈或星系盤時，暈或盤中物質對光的吸收形成的吸收線系統，它們是窄的金屬線系統;
- 由散布在星系際空間的物質的吸收而產生的所謂萊曼α森林(Lyman α forest)。
萊曼α森林
萊曼α森林是指在類星體光譜中，位於氫的萊曼α發射線短波側的密集的吸收線叢。它和分布在該發射線長波側的稀少的譜線形成鮮明的對照。在所有高紅移類星體的光譜中無一例外地均存在萊曼α森林。
萊曼α線的靜止波長為1216Å，是一條遠紫外的譜線。對一個紅移為2的類星體，觀測到的萊曼“發射線的波長為1216x(1十Z)=3648Å，其短波側已有相當部分移到可見光區以內。所以，用地面上的光學望遠鏡去觀測紅移演大於2的類星體光譜，都可以清楚地看到在萊曼α發射線短波側的萊曼α森林。圖是Z=3.54的類星體OQ172的吸收線光譜。
1975年，美國天文學家Lynds首先提出一個假設，認為出現在萊曼發射線短波側的密朱吸收線均是由氫產生的萊曼吸收線。這些吸收線之所以出現在光譜中不同的波長處，是由於產生吸收線的氫雲離我們的距離不同，因而吸收線的紅移不同。Lynds的假設被Young等人及陳建生等人於1980年的研究成果所證實。他們均是用大型反射望遠鏡觀測不同類星體的高分辨光譜。對萊曼發射線短波側吸收線從進行交叉相關分析發現，相關函式中的峰值相應於萊曼α和萊曼β、萊曼α和萊曼γ的相關位置。這證實了Lynds的大膽假設—這些密集的吸收線都是由氫的吸收產生的。今天這一點已為全世界天文學家所接受，萊曼α森林也因此而得名。
性質
研究表明，萊曼α森林具有如下的性質:
- 產生萊曼α吸收線的吸收體中不含有氫以外的重元素。這可由不存在重元素的吸收線得知。因此，產生萊曼。吸收線叢的是一些尚未經歷過恆星形成及演化階段的宇宙中的第一代氫雲，即宇宙中的原始氫雲。
- 對空間不同方向上的類星體吸收線光譜進行觀測和分析表明，萊曼α森林的性質彼此並無顯著差別。這說明這些氫雲在宇宙空間中的分布是各向同性的。
- 吸收線的紅移Z與產生該吸收線的氫雲的距離有關。由於光速是有限的，我們觀測到的愈遠處的天體傳來的信息代表了宇宙更早期的情況。因此紅移z愈大，代表了更早時期的宇宙。對不同紅移處的萊曼。吸收線密度dN/dZ的分析表明，它與（1+Z）^γ成正比，其中γ=2.3。這表明紅移越大譜線越密，或說在宇宙更早期的原始氫雲更密。所以，氫雲有很強的宇宙演化。近來觀測到的一顆Z=4.11的類星體的吸收線光譜表明，上述線密度增加的趨勢並未停止。日前尚不知道這種增加的趨勢會一直延仲到更早期呢?還是將到某一宇宙年齡以前變得逐漸減少。
- 將上述演化效應扣除之後，對萊曼α吸收線的分布分析的結果說明，它們並不成團。萊曼α吸收線叢的兩點相關函式和由泊松分布得出的沒有本質差別。這和觀測到的發光星系的行為不同，星系的分布呈現很強的成團性。
綜合上述四點，我們得到一幅這樣的圖象，宇宙空間充滿著原始氫雲，它們是各向同性地和隨機地散布在宇宙各處，但卻隨宇宙年齡演化。關於產生萊曼α森林的原始氫雲，目前尚有許多不清楚之處。首先，維持這些氫雲存在的機制就很不清楚。如果它們是由自身引力維持的，為什麼不象星系那樣由引力作用而成團?如果它們是處在與周圍介質的壓力平衡下，那么又是什麼機制供給輻射電離能?此外，原始氫雲的許多內在的物理參數也還未能精確測定。原始氫雲與其它星系際介質的相互作用以及它和星系形成的物理過程間的關係都是尚待研究的前沿課題。美國計畫在1989年發射耗資為12億美元的空間望遠鏡，原始氫雲的機制研究就是該計畫中一個重點研究課題。人們有理由期望在未來幾年中關於這個間題的研究將取得突破性進展。
