[论文解读] Imaging the Lyman-alpha Forest

Andrew Gould, David H. Weinberg|ArXiv.org|Dec 20, 1995

Astronomy and Astrophysical Research被引用 75

一句话总结

本文提出，利用大型望远镜进行长时间积分，可直接成像光学厚的莱曼-α云——这些云层已通过类星体吸收线被观测到。作者表明，莱曼-α发射流量与电离背景辐射的能量密度成正比，从而可通过表面亮度测绘实现对宇宙大尺度紫外背景的直接、与几何无关的测量。

ABSTRACT

We show that it is now possible to image optically thick $\lya$ clouds in fluorescent $\lya$ emission with a relatively long ($\sim 20 $hr) integration on a large ($\sim 10 $m) telescope. For a broad range of column densities ($N\gsim 10^{18.5} \cm^{-2}$), the flux of $\lya$ photons from recombination cascades is equal to $\sim 0.6$ times the flux of ionizing photons, independent of the geometry of the cloud. Additional $\lya$ photons are produced by collisional excitations when these are the cloud's primary cooling mechanism. For typical physical conditions expected in optically thick clouds, these mechanisms together lead to a $\lya$ emission flux that is $\sim (2/3) \VEVν/ν_0$ times the flux of ionizing photons, where $\VEVν$ is the mean frequency of ionizing background photons and $ν_0$ is the Lyman limit frequency. Hence, measurement of the surface brightness from an optically thick cloud (known to exist, e.g., from a quasar absorption line) gives a direct measure of the energy in the ionizing radiation background. Moreover, in the same long slit spectrum one could hope to detect emission from $\sim 200$ other $\lya$ systems. Such detections would allow one to make a 2-dimensional map of the $\lya$ forest. By taking a series of such spectra, one could map the forest in three dimensions, revealing structure in the high-redshift universe.

研究动机与目标

• 开发一种利用大型望远镜直接成像光学厚莱曼-α云荧光发射的方法。
• 通过在单次长缝光谱中探测多个系统发射，实现莱曼-α森林的三维映射。
• 通过观测到的莱曼-α表面亮度，提供电离辐射背景能量密度的直接、与几何无关的测量。
• 区分光致电离与内部加热在高红移气体云中作为主导能量来源的贡献。

提出的方法

• 使用解析和数值模拟，研究光学厚氢云中重组与碰撞激发产生的莱曼-α光子。
• 推导来自重组级联的莱曼-α光子通量，表明其与电离光子通量的比值为 (⟨ω⟩/ω₀)。
• 考虑云层拓扑结构（相干吸收体与云滴簇）对发射光角分布和频率分布的影响。
• 基于10米望远镜、约10小时积分的典型观测，估算信噪比。
• 提出利用长缝光谱探测已知吸收系统中的发射，可能发现新的系统。
• 建议通过在不同狭缝位置重复光谱观测，构建莱曼-α森林的三维结构图。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用当前大型望远镜直接成像光学厚莱曼-α云的荧光发射？
• RQ2 这些云中通过重组和碰撞激发产生的莱曼-α发射通量预期为多少？
• RQ3 发射信号如何依赖于吸收云的几何与拓扑结构？
• RQ4 莱曼-α发射的表面亮度测量能否提供电离背景能量密度的直接、稳健估计？
• RQ5 通过发射映射，可对高红移气体云中内部加热源施加何种约束？

主要发现

• 来自重组级联的莱曼-α发射通量约为电离光子通量的 (⟨ω⟩/ω₀) 倍，且与云层几何结构无关。
• 在光学厚云的典型物理条件下，总莱曼-α发射通量约为 (⟨ω⟩/ω₀) 倍的电离光子通量，其中 (⟨ω⟩/ω₀) ≈ 1.5–2.5，适用于真实的紫外背景。
• 当碰撞激发为主要冷却机制时，其对莱曼-α发射的贡献显著，尤其在高密度和高温（T ≈ 10^4 K）条件下。
• 莱曼-α发射的表面亮度几乎与云层拓扑结构无关，使其成为电离背景的稳健探针。
• 在10米望远镜上进行10小时积分，可使红移 z ≈ 2–3 的已知光学厚莱曼-α系统获得约10的信噪比。
• 在单次长缝光谱中探测到多个莱曼-α系统的发射，将实现对森林的二维映射；重复观测可构建高红移气体的三维结构图。