라이먼-알파 숲
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1. 개요
라이먼-알파 숲은 퀘이사에서 나오는 빛이 은하간 가스를 통과하면서 중성 수소 원자에 흡수되어 나타나는 일련의 흡수선들을 말한다. 1970년 로저 린즈에 의해 처음 발견되었으며, 퀘이사 4C 05.34 관측 중 비정상적으로 많은 흡수선을 확인하면서 그 존재가 알려졌다. 라이먼-알파 숲은 우주론적 모델을 검증하고, 성간 및 은하간 물질의 특성을 연구하는 데 활용된다. 특히, 우주 재이온화 현상과 암흑 물질의 특성을 파악하는 데 중요한 정보를 제공한다.
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| 라이먼-알파 숲 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 유형 | 천문학 |
| 하위 유형 | 흡수선 |
| 위치 | 스펙트럼 |
| 특징 | |
| 설명 | 퀘이사 스펙트럼에서 관찰되는 다수의 흡수선 |
| 원인 | 은하 사이 기체 구름에 의한 빛의 흡수 |
| 파장 | 라이먼-알파 파장 근처 (121.567 nm) |
| 적색편이 | 다양한 적색편이 값을 가짐 |
| 관측 | |
| 방법 | 분광학 |
| 사용 | 우주의 대규모 구조 연구 |
| 연구 대상 | 은하 사이 기체, 암흑 물질 분포 |
| 추가 정보 | |
| 관련 용어 | 건-피터슨 골짜기 |
2. 역사
라이먼-알파 숲은 1970년 천문학자 로저 린즈가 퀘이사 4C 05.34를 관측하던 중 발견하였다.[1] 4C 05.34는 당시까지 관측된 가장 멀리 있는 천체였으며, 린즈는 이 퀘이사의 스펙트럼에서 유난히 많은 흡수선을 발견하고, 대부분의 흡수선이 모두 동일한 라이먼-알파 전이에 의한 것이라고 제안했다.[2] 존 N. 바콜과 사무엘 골드스미스의 후속 관측을 통해 이러한 특이한 흡수선의 존재가 확인되었지만, 이 흡수선의 기원에 대한 결론은 덜 확정적이었다.[12] 이후 여러 적색편이된 퀘이사를 관측한 결과 좁은 흡수선 영역들은 전부 다 동일한 곳에서 나온 것임을 확인했다. 이에 흡수선을 최초로 발견한 린즈가 이 흡수선들을 "라이먼-알파 숲"이라고 이름붙였다.[13] 얀 오르트는 이 흡수선들은 퀘이사 자체의 물리작용에 의해 발현된 것이 아닌 초은하단 은하사이 공간의 가스 구름을 거치면서 나온 흡수선일 것이라고 주장했다.[14]
중성 수소 원자는 전자가 에너지 준위 사이를 전이할 때 스펙트럼선을 형성한다. 라이먼 계열의 스펙트럼선은 전자가 바닥 상태에서 더 높은 에너지 준위(들뜬 상태)로 전이하면서 생성된다. 라이먼-알파 전이는 전자가 바닥 상태(''n''=1)와 첫 번째 들뜬 상태(''n''=2) 사이를 전이하는 것에 해당한다.[6]
3. 물리학적 배경
라이먼 알파 숲은 은하간 물질을 연구하기 위한 중요한 도구이며, 중성 수소를 포함하는 분자 구름의 밀도와 온도를 결정하는 단서가 된다. 헬륨, 탄소, 규소 등 다른 원소의 선을 탐지하여 분자 구름 내의 더 무거운 원소의 존재량을 연구할 수도 있다.
높은 적색편이를 가진 퀘이사의 경우, 숲 내의 선의 수가 많아진다. 그러나 적색편이가 6을 초과하면 선의 수가 너무 많아져 건-피터슨 트로프(Gunn-Peterson trough)라고 불리는 구조로 변한다. 이는 우주의 재이온화의 종말을 나타낸다.
3. 1. 흡수선의 형성
중성 수소 원자는 전자가 다른 에너지 준위로 전이할 때 스펙트럼 선을 방출한다. 라이먼 계열 스펙트럼 선은 전자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 전이할 때 흡수된다. 라이먼-알파 전이는 n=1인 바닥 상태에서 n=2 에너지 준위로 전이할 때를 의미하며, 이때 라이먼-알파 스펙트럼 선은 자외선 영역에 해당하는 1216 Å 파장을 가진다.[15]
퀘이사에서 나오는 라이먼-알파 흡수선은 은하나 퀘이사의 빛이 은하간 가스를 거치며 나타난다. 은하간의 성간영역 중 중성수소영역(H I 영역)은 적색편이 정도가 서로 달라, 흡수선은 파장 범위에서 서로 다르게 나타난다. 각각의 구름들은 서로 다른 흡수선을 만들어내며 흔적을 남긴다.
이러한 흡수선은 은하 또는 퀘이사의 빛이 통과하는 은하간 가스에 의해 발생한다. 빛의 흡수 및 방출은 양자역학의 법칙에 따라 특정 에너지를 가진 광자만 흡수된다. 이로 인해 각 흡수선이 형성된다. 또한, 먼 광원에서 오는 광자는 허블의 법칙에 따라 광원까지의 거리에 의존하는 적색편이를 나타내므로 숲이 형성된다.
4. 천체물리학에서의 이용
라이먼-알파 숲은 성간 공간과 은하간 공간을 탐사하고, 우주 모델을 구체화하며, 암흑 물질의 특성을 연구하는 데 중요한 역할을 한다.
4. 1. 성간 및 은하간 물질 연구
라이먼-알파 숲은 은하간 공간, 성간공간을 탐사하는데 중요한 역할을 한다. 중성 수소의 온도 등을 이용하여 성간구름의 밀도와 주파수를 알아낼 수 있다. 헬륨, 탄소, 규소 등의 흡수선과 서로 비교함으로써 성간구름의 무거운 원소를 분석할 수도 있다.[16] 중성 수소의 밀도가 매우 높은 성간구름의 경우에는 선 주위에 기형적인 감쇠 날개를 보여주며, 이를 감쇠된 라이먼-알파 계라고 부른다.적색편이가 심한 퀘이사 같은 경우에는 라이먼-알파 숲의 줄 수는 6정도까지 적색편이될수록 점점 많아지며, 거쳐가는 성간구름의 수소들이 너무 많아 숲이 건-페터슨 통과 현상을 보여준다. 이 현상은 우주 재이온화 현상의 거의 끝을 보여준다.
라이먼-알파 숲은 우주 모델을 구체화하는데도 이용된다.[16] 또한 암흑 물질의 특성, 예를 들어 열적 잔재 암흑 물질 모델의 경우 암흑 물질 입자 질량과 밀접하게 관련된 암흑 물질 자유 흐름 규모를 제약하는 데 사용될 수 있다.
4. 2. 우주 재이온화 연구
라이먼-알파 숲은 성간 매질을 연구하는 중요한 도구이며, 중성 수소를 포함하는 구름의 빈도, 밀도, 온도를 결정하는 데 사용될 수 있다.[7] 헬륨, 탄소, 규소와 같은 다른 원소의 선을 찾아(적색편이 일치) 구름 내 무거운 원소의 함량도 연구할 수 있다. 중성 수소의 기둥 밀도가 높은 구름은 선 주위에 전형적인 감쇠 날개를 보이며, 이를 감쇠 라이먼-알파 시스템이라고 한다.적색편이가 높은 퀘이사의 경우 숲의 선 수가 더 많아지다가, 적색편이가 약 6에 도달하면 성간 매질에 중성 수소가 너무 많아 숲이 건-피터슨 골로 변한다. 이는 우주의 재이온화가 끝났음을 보여준다.[7]
4. 3. 우주론 모델 검증
라이먼-알파 숲 관측은 우주론적 모델을 제약하는 데 사용될 수 있다.[7][9] 또한 암흑 물질의 특성, 예를 들어 열적 잔재 암흑 물질 모델의 경우 암흑 물질 입자 질량과 밀접하게 관련된 암흑 물질 자유 흐름 규모를 제약하는 데 사용될 수 있다.참조
[1]
논문
The Lyman-α Forest Power Spectrum from the Sloan Digital Sky Survey
[2]
논문
The Absorption-Line Spectrum of 4C 05.34
1971-03-01
[3]
논문
On the Absorption-Line Spectrum of 4c 05.34
1971-11-15
[4]
논문
A catalog of quasars near and far
1994-12
[5]
논문
Jan Hendrik Oort (1900–1992)
1993-07
[6]
서적
An Introduction to Modern Astrophysics
Addison-Wesley Publishing Company, Inc.
1996
[7]
간행물
The Lyman-α Forest as a Cosmological Tool
2003-05
[8]
논문
A catalog of quasars near and far
1994-12
[9]
논문
The Lyman-α Forest as a Cosmological Tool
2003-05
[10]
저널
The Lyman-α Forest Power Spectrum from the Sloan Digital Sky Survey
2004
[11]
저널
The Absorption-Line Spectrum of 4C 05.34
http://adsabs.harvar[...]
1971-03-01
[12]
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On the Absorption-Line Spectrum of 4c 05.34
http://adsabs.harvar[...]
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[13]
저널
A catalog of quasars near and far
1994-12
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저널
Jan Hendrik Oort (1900–1992)
http://adsabs.harvar[...]
1993-07
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https://archive.org/[...]
Addison-Wesley Publishing Company, Inc
1996
[16]
저널
The Lyman-α Forest as a Cosmological Tool
2003-05
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