Ефект Ганна — Петерсона — пригнічення випромінювання від далеких астрономічних об'єктів на довжинах хвиль, трохи нижчих за червоно зміщені лінії серії Лаймана. Спостерігається у спектрах яскравих джерел з високим червоним зміщенням (більше ніж z ~ 6), зокрема квазарів та післясвітінь гамма-спалахів. Пов'язаний з наявністю нейтрального водню в міжгалактичному середовищі до епохи реіонізації. Цей ефект вперше передбачили у 1965 році Джеймс Ганн та , а також незалежно від них .

Пояснення Коли випромінювання від далекого астрономічного об'єкта з великим червоним зміщенням наближається до нас, воно проходить через регіони міжгалактичного газу з різними червоними зміщеннями. Кожен регіон накладає на випромінювання свої спектральні лінії серії Лаймана. У сучасному Всесвіті більша частина міжгалактичного газу йонізована, тож нейтрального водню, здатного створювати лінії поглинання серії Лаймана відносно мало. Лінії поглинання, накладені окремими хмарами нейтрального водню, створюють у спектрі ліс Лайман-альфа. Але в молодому Всесвіті, ближче до епохи реіонізації, нейтрального водню було більше, й окремі лінії у лісі Лайман-альфа зливались, утворюючи так званий провал Ганна — Петерсона з практично нульовим випромінюванням. Це спостерігається на червоних зміщеннях, більших ніж приблизно 6. На цих червоних зміщеннях реіонізація вже завершується, але частка нейтрального водню все ще становить ~10−3, чого вистачає для повного поглинання випромінювання в лайманівських лініях. У результаті в спектрі джерел з червоним зміщенням z більшим за ~6 ми бачимо майже незбурений спектр на довжинах хвиль, більших за червоно зміщену лайманівську лінію, потім провал Ганна — Петерсона на червоних зміщеннях лайманівської лінії від z до ~6 і, нарешті, ліс лайманівських ліній для червоних ліній, менших за ~6. Така картина може повторюватись для різних ліній серії Лаймана окремо, але для лінії Лайман-альфа ефект Ганна-Петерсона буває найпомітнішим. Перше виявлення

Протягом понад трьох десятиліть після передбачення не було знайдено жодних об'єктів, достатньо віддалених, щоб демонструвати ефект Ганна-Петерсона. Лише у 2001 році, коли Роберт Беккер та інші відкрили квазар із червоним зміщенням z = 6,28 за даними Sloan Digital Sky Survey, ефект Ганна-Петерсона нарешті вдалося виявити. У статті також згадувалися квазари з червоним зміщенням z = 5,82 та z = 5,99, і хоча кожен з них демонстрував поглинання фотонів з енергіями трохи вище переходу Лайман-альфа (або довжинами хвиль трохи синіше від переходу), також спостерігалися численні сплески потоку, що свідчило про проходження кишень простору з незначною кількістю нейтрального водню. Однак потік квазара на z = 6,28 був фактично нульовим при енергіях трохи вище переходу Лайман-альфа, а це означає, що частка нейтрального водню в міжгалактичному просторі мала бути вищою за ~ 10−3.

Докази реіонізації У сучасному Всесвіті міжгалактичне середовище містить плазму дуже низької густини. Дуже рано в історії Всесвіту, до утворення перших зір, електрони та протони вперше зв'язалися у нейтральні атоми водню під час епохи, званої рекомбінацією. Період, протягом якого перші об'єкти у Всесвіті почали випромінювати світло та енергію, що призвели до переходу від нейтральної до іонізованої матерії в міжгалактичному просторі, відомий як реіонізація. Вивчення об'єктів з ефектом Ганна-Петерсона в їхніх спектрах дозволяє вивчати пізні фази цієї епохи реіонізації.

Відкриття ефекту Ганна-Петерсона в квазарі з z = 6,28 показало, що Всесвіт на той час вже мав помітну, хоча й невелику, частку нейтрального водню. Оскільки фотони з енергіями, близькими до енергії переходу Лайман-альфа, мають дуже високі перерізи розсіювання на атомах нейтрального водню, навіть невелика частка нейтрального водню зробить оптичну глибину міжфазного гравітаційного шару достатньо високою, щоб спричинити придушення випромінювання. Тим часом, відсутність ефекту Ганна-Петерсона в квазарах, виявлених при червоних зміщеннях трохи нижче z = 6, свідчить про те, що процес реіонізації завершився приблизно до z = 6. Після першого відкриття ефекту Ганна-Петерсона його також виявили на z ≈ 5,6, що свідчить про те, що реіонізація Всесвіту є неоднорідною та неповною при z = 5,6.

Після першого випуску даних з космічного апарату WMAP у 2003 році здавалося, що результат про завершення реіонізації при z ≈ 6 суперечив оцінкам, зробленим на основі вимірювання електронної щільності за допомогою WMAP. Однак дані WMAP III, опубліковані в 2006 році, набагато краще узгоджувались з обмеженнями на реіонізацію, встановленими спостереженням ефекту Ганна-Петерсона.

Пізніші спостереження квазарів показали сильні прогалини поглинання в областях з червоним зміщенням z ≈ 5,3, що вказує на те, що реіонізація не була рівномірно розподілена по всій міжгалактичній речовині. Моделювання показало, що маломасивні галактики могли спочатку давати внесок у реіонізацію, поки випромінювання не зупинило їхнє подальше зореутворення, що може пояснювати острови нейтрального водню, що зберігаються при нижчих червоних зміщеннях.

Також було показано, що самі лише острови нейтрального водню не можуть пояснити прогалини поглинання, що призвело до дослідження щільних систем в регіонах іонізації міжгалактичного середовища, які називаються граничними системами Лаймана або дрібномасштабними поглиначами. Це підтверджується великою кількістю цих систем у епоху після реіонізації, коли нейтральний водень зникає.

Див. також

Ліс Лайман-альфа

Примітки