حوض غان-بيترسون

^{[ 1 ]} فيعلم الأطياف الفلكية،منخفض غان-بيترسونسمةً مميزةً لأطيافالمصادرالساطعة ذات الانزياح الأحمر العالي، ولا سيماالكوازاراتوتوهجاتانفجارات أشعة غامااللاحقة، وذلك بسبب وجودالهيدروجينفيالوسط بين المجراتقبل حقبةإعادة التأين. يتميز هذا المنخفض بكبحالانبعاث الكهرومغناطيسيمن المصدر عند أطوال موجية أقل بقليل من طوللايمان ألفاالمنزاح نحو الأحمر . عندما يقترب الإشعاع منا وينزاح تدريجيًا نحو الأحمر، لا يمتص الهيدروجين الفوتونات ذات الأطوال الموجية الأعلى من طول موجة هذا الخط، لأنها لا تمتلك طاقة كافية لحثّ الهيدروجين في حالته الأرضية على الانتقال إلى الحالة الأعلى الموافقة للخط، بينما تُمتص الفوتونات ذات الطاقة الأعلى نسبيًا عندما تنزاح نحو الأحمر لتصل إلى طول موجة الخط (على سبيل المثال، 91 نانومترًا لخط لايمان ألفا). لم تنزاح الفوتونات ذات الطاقة الأعلى نحو الأحمر إلى الطول الموجي المناسب إلا بعد إعادة تأين الهيدروجين في الوسط بين المجرات، وبالتالي لم تُمتص. لذا، يُمثل هذا النطاق الطيفي نطاق الأطوال الموجية التي حدث فيها الامتصاص. يقع الطرف ذو الطول الموجي القصير لهذا النطاق عند انزياح نحو الأحمر يبلغ حوالي 6 من طول موجة لايمان الحقيقية، نظرًا لحدوث إعادة التأين في الوقت المقابل لهذا الانزياح، بينما يقع الطرف ذو الطول الموجي الطويل عند انزياح المصدر نحو الأحمر، وهو أكبر من 6.

تم التنبؤ بهذا التأثير في الأصل عام 1965 من قبل جيمس إي. غان وبروس بيترسون ، ^{[ 2 ]} وبشكل مستقل من قبل بيتر شوير . ^{[ 3 ]}

لأكثر من ثلاثة عقود بعد التنبؤ، لم يُعثر على أي أجسام بعيدة بما يكفي لإظهار منخفض غان-بيترسون. ولم يُرصد هذا المنخفض إلا في عام 2001، مع اكتشاف كوازار ذي انزياح أحمر z = 6.28 بواسطة روبرت بيكر وآخرين ^{[ 4 ]} باستخدام بيانات من مسح سلون الرقمي للسماء . وشملت المقالة أيضًا كوازارات ذات انزياحات حمراء z = 5.82 و z = 5.99، وبينما أظهر كل منها امتصاصًا للفوتونات ذات طاقات أعلى بقليل من طاقة انتقال لايمان-ألفا (أو أطوال موجية قريبة من الجانب الأزرق للانتقال)، فقد لوحظت أيضًا العديد من الارتفاعات المفاجئة في التدفق، مما يشير إلى عبورها جيوبًا من الفضاء تحتوي على كميات ضئيلة من الهيدروجين المتعادل. ومع ذلك، كان تدفق الكوازار عند z = 6.28 صفرًا فعليًا عند الطاقات التي تزيد قليلاً عن طاقة انتقال ليمان ألفا، مما يعني أن نسبة الهيدروجين المحايد في الوسط بين المجرات يجب أن تكون أكبر من ~10 ⁻³ .

في الكون الحالي، يحتوي الوسط بين المجرات (IGM؛ الفضاء بين المجرات) على بلازما منخفضة الكثافة للغاية . في بدايات تاريخ الكون، قبل تكوّن النجوم الأولى، ارتبطت الإلكترونات والبروتونات لأول مرة لتكوين ذرات هيدروجين متعادلة خلال حقبة تُعرف باسم إعادة التركيب . تُعرف الفترة التي بدأت خلالها الأجسام الأولى في الكون بإصدار الضوء والطاقة اللذين سيُحفزان الانتقال من المادة المتعادلة إلى المادة المتأينة في الوسط بين المجرات باسم إعادة التأين . تُتيح دراسة الأجسام التي تُظهر أخاديد غان-بيترسون في أطيافها وسيلةً لدراسة المراحل المتأخرة من حقبة إعادة التأين هذه.

أشار اكتشاف منخفض غان-بيترسون في كوازار عند الانزياح الأحمر z = 6.28 إلى أن الكون كان لا يزال يحتوي على نسبة ملحوظة، وإن كانت ضئيلة، من الهيدروجين المتعادل في ذلك الوقت. ونظرًا لأن الفوتونات ذات الطاقات القريبة من طاقة انتقال لايمان-ألفا لها مقاطع عرضية تشتت عالية جدًا مع الهيدروجين المتعادل، فإن حتى نسبة ضئيلة من الهيدروجين المتعادل ستجعل العمق البصري للوسط بين المجرات مرتفعًا بما يكفي للتسبب في كبح الانبعاث. ^{[ 5 ]} في الوقت نفسه، قدم غياب المنخفض في الكوازارات المكتشفة عند انزياحات حمراء أقل بقليل من z = 6 دليلًا على اكتمال عملية إعادة التأين عند حوالي z = 6. ^{[ 4 ]} بعد الاكتشاف الأصلي لمنخفض غان-بيترسون، يشير اكتشاف منخفض عند z ≈ 5.6 إلى أن إعادة تأين الكون غير متجانسة وغير مكتملة عند z = 5.6. ^{[ 6 ]}

بعد النشر الأول للبيانات من المركبة الفضائية WMAP في عام 2003، بدا أن تحديد بيكر بأن نهاية إعادة التأين حدثت عند z ≈ 6 يتعارض مع التقديرات المستندة إلى قياس WMAP لكثافة عمود الإلكترون. ^{[ 7 ]} ومع ذلك، يبدو أن بيانات WMAP III التي نُشرت في عام 2006 تتوافق الآن بشكل أفضل بكثير مع حدود إعادة التأين التي تم تحديدها من خلال رصد حوض غان-بيترسون. ^{[ 8 ]}

أظهرت رصدات حديثة لأجسام شبه نجمية وجود فجوات امتصاص قوية في مناطق ذات انزياحات حمراء منخفضة تصل إلى z ≈ 5.3، مما يشير إلى أن إعادة التأين لم تنتشر بشكل متجانس في الوسط بين المجرات. ^{[ 9 ]} وقد أظهرت عمليات المحاكاة أن المجرات منخفضة الكتلة ربما ساهمت في البداية في إعادة التأين إلى أن تم كبح تكوين النجوم فيها إشعاعيًا، مما قد يفسر استمرار وجود هذه الجزر من الهيدروجين المتعادل عند انزياحات حمراء منخفضة. ^{[ 10 ]}

تتغير عتامة غابة ليمان-ألفا بتغير خط الرؤية حول الانزياح الأحمر z ~ 5.5، حيث تبدأ أخاديد غان-بيترسون بالظهور. على الرغم من أن الدراسات السابقة وجدت أن هذا التغير يتوافق مع العلاقة غير الخطية بين العمق البصري (العتامة) لغابة ليمان-ألفا وكثافة الوسط بين المجرات، إلا أن الدراسات الحديثة أظهرت خلاف ذلك. تكون التغيرات في العمق البصري أقوى بكثير مما هو متوقع عند الانزياح الأحمر z ~ 5.5 وما فوقه، مما يشير إلى أن نسبة الهيدروجين المتعادل تحتوي على قدر كبير من التباين اعتمادًا على خط الرؤية، ويقدم دليلًا إضافيًا على أن إعادة التأين لا تحدث بشكل متساوٍ عبر الوسط بين المجرات. ^{[ 1 ]} في ورقتهم البحثية، يقدم ديفيز وزملاؤه طريقتين محتملتين لنمذجة هذه التقلبات. تعتمد الطريقة الأولى على إسناد لمعان الأشعة فوق البنفسجية من المجرات إلى هالات المادة المظلمة، ومطابقة نسبة لمعان التأين إلى لمعان الأشعة فوق البنفسجية مع معدل تأين الهيدروجين عند انزياح أحمر معين. تستخدم الطريقة الثانية مجال انزياح إعادة التأين الأحمر الذي تم إنشاؤه من خرائط إعادة التأين المختلفة بين z = 5.8 و z = 13. ^{[ 1 ]} يقدم هذان النموذجان للعمق البصري نتائج متضاربة، حيث أن صحة أي منهما لها تأثير كبير على الفهم الحالي لسرعة وتباين إعادة التأين المكاني.

وقد تبين أيضاً أن جزر الهيدروجين المتعادل لا يمكنها وحدها تفسير فجوات الامتصاص، مما أدى إلى دراسة الأنظمة الكثيفة داخل المناطق المتأينة من الوسط بين المجرات، والتي تُعرف باسم أنظمة حد لايمان أو الممتصات صغيرة النطاق. ويدعم ذلك وفرة هذه الأنظمة في حقبة ما بعد إعادة التأين مع اختفاء الهيدروجين المتعادل. ^{[ 11 ]}

• غابة ليمان ألفا