[科普中國(guó)]-萊曼阿爾法森林

簡(jiǎn)介

直至本世紀(jì)六十年代，人類還無(wú)法探測(cè)到分布在遙遠(yuǎn)星系際空間的物質(zhì)。而對(duì)這些物質(zhì)的密度、成分和分布的探測(cè)對(duì)于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(fā)現(xiàn)為研究星系際物質(zhì)物理學(xué)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(cè)到的最遙遠(yuǎn)的天體。迄今觀測(cè)到的譜線紅移最高的類星體，其紅移值為Z=4.43，相應(yīng)的到我們的距離約為宇宙半徑的93%。從如此遙遠(yuǎn)天體發(fā)射的光，將通過廣闊的星系際空間才能到達(dá)地球。星系際空間的物質(zhì)對(duì)光的吸收，將在類星體光譜上產(chǎn)生一系列的吸收線。對(duì)這些吸收線的分析研究是目前能借以了解遙遠(yuǎn)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(chǎn)生吸收線的物質(zhì)的大量信息。根據(jù)這些物質(zhì)的性質(zhì)，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(yùn)動(dòng)物質(zhì)對(duì)類星體發(fā)射出的光吸收而形成的寬吸收線系統(tǒng);

類星體發(fā)出的光通過視線方向上的星系暈或星系盤時(shí)，暈或盤中物質(zhì)對(duì)光的吸收形成的吸收線系統(tǒng)，它們是窄的金屬線系統(tǒng);

由散布在星系際空間的物質(zhì)的吸收而產(chǎn)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，位于氫的萊曼α發(fā)射線短波側(cè)的密集的吸收線叢。它和分布在該發(fā)射線長(zhǎng)波側(cè)的稀少的譜線形成鮮明的對(duì)照。在所有高紅移類星體的光譜中無(wú)一例外地均存在萊曼α森林1。

萊曼α線的靜止波長(zhǎng)為1216?，是一條遠(yuǎn)紫外的譜線。對(duì)一個(gè)紅移為2的類星體，觀測(cè)到的萊曼“發(fā)射線的波長(zhǎng)為1216x(1十Z)=3648?，其短波側(cè)已有相當(dāng)部分移到可見光區(qū)以內(nèi)。所以，用地面上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡去觀測(cè)紅移演大于2的類星體光譜，都可以清楚地看到在萊曼α發(fā)射線短波側(cè)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(guó)天文學(xué)家Lynds首先提出一個(gè)假設(shè)，認(rèn)為出現(xiàn)在萊曼發(fā)射線短波側(cè)的密朱吸收線均是由氫產(chǎn)生的萊曼吸收線。這些吸收線之所以出現(xiàn)在光譜中不同的波長(zhǎng)處，是由于產(chǎn)生吸收線的氫云離我們的距離不同，因而吸收線的紅移不同。Lynds的假設(shè)被Young等人及陳建生等人于1980年的研究成果所證實(shí)。他們均是用大型反射望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不同類星體的高分辨光譜。對(duì)萊曼發(fā)射線短波側(cè)吸收線從進(jìn)行交叉相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)函數(shù)中的峰值相應(yīng)于萊曼α和萊曼β、萊曼α和萊曼γ的相關(guān)位置。這證實(shí)了Lynds的大膽假設(shè)—這些密集的吸收線都是由氫的吸收產(chǎn)生的。今天這一點(diǎn)已為全世界天文學(xué)家所接受，萊曼α森林也因此而得名。

性質(zhì)研究表明，萊曼α森林具有如下的性質(zhì):

產(chǎn)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(chǎn)生萊曼。吸收線叢的是一些尚未經(jīng)歷過恒星形成及演化階段的宇宙中的第一代氫云，即宇宙中的原始?xì)湓啤?/p>

對(duì)空間不同方向上的類星體吸收線光譜進(jìn)行觀測(cè)和分析表明，萊曼α森林的性質(zhì)彼此并無(wú)顯著差別。這說(shuō)明這些氫云在宇宙空間中的分布是各向同性的。

吸收線的紅移Z與產(chǎn)生該吸收線的氫云的距離有關(guān)。由于光速是有限的，我們觀測(cè)到的愈遠(yuǎn)處的天體傳來(lái)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(shí)期的宇宙。對(duì)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(shuō)在宇宙更早期的原始?xì)湓聘堋Ｋ?，氫云有很?qiáng)的宇宙演化。近來(lái)觀測(cè)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(shì)并未停止。日前尚不知道這種增加的趨勢(shì)會(huì)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(yīng)扣除之后，對(duì)萊曼α吸收線的分布分析的結(jié)果說(shuō)明，它們并不成團(tuán)。萊曼α吸收線叢的兩點(diǎn)相關(guān)函數(shù)和由泊松分布得出的沒有本質(zhì)差別。這和觀測(cè)到的發(fā)光星系的行為不同，星系的分布呈現(xiàn)很強(qiáng)的成團(tuán)性。

綜合上述四點(diǎn)，我們得到一幅這樣的圖象，宇宙空間充滿著原始?xì)湓?，它們是各向同性地和隨機(jī)地散布在宇宙各處，但卻隨宇宙年齡演化。關(guān)于產(chǎn)生萊曼α森林的原始?xì)湓?，目前尚有許多不清楚之處。首先，維持這些氫云存在的機(jī)制就很不清楚。如果它們是由自身引力維持的，為什么不象星系那樣由引力作用而成團(tuán)?如果它們是處在與周圍介質(zhì)的壓力平衡下，那么又是什么機(jī)制供給輻射電離能?此外，原始?xì)湓频脑S多內(nèi)在的物理參數(shù)也還未能精確測(cè)定。原始?xì)湓婆c其它星系際介質(zhì)的相互作用以及它和星系形成的物理過程間的關(guān)系都是尚待研究的前沿課題。美國(guó)計(jì)劃在1989年發(fā)射耗資為12億美元的空間望遠(yuǎn)鏡，原始?xì)湓频臋C(jī)制研究就是該計(jì)劃中一個(gè)重點(diǎn)研究課題。人們有理由期望在未來(lái)幾年中關(guān)于這個(gè)間題的研究將取得突破性進(jìn)展。