Creux de Gunn - Peterson pour le spectre de quasars à haut redshift

[fabio123]

Sur un cours de physique extra-galactique, je n'arrive pas à bien comprendre l'effet "Gunn - Peterson" concernant le spectre des quasars à haut redshift (z supérieur à 3 ou 4, jusqu'à la limite actuelle qui est z = 6-7 je crois)

Le fait observé est qu'il y a une absorption quasi-totale pour les photons de la partie bleue de la raie Lyman-alpha (1216 Angstrom). Ceci est illustré sur les 2 spectres suivants :



Vous pouvez voir sur les 2 spectres que pour les longueurs d'onde inférieure à la raie d'émission Lyman-alpha (1216 Angstrom), il y a un large plateau qui traduit l'absorption de tous les photons dans cette gamme de longueurs d'onde. On distingue quelques raies d'émission mais d'une faible hauteur.

J'ai vu d'après mes recherches que cette absorption jusqu'à z=6 traduirait la fin de l'époque de réionisation, c'est-à-dire l'époque où les premières étoiles se sont formées et qui ionisaient à nouveau les atomes d'hydrogène (après la première ionisation qui a eu lieu avant la recombinaison) : je ne comprends pas bien cette relation entre "fin de la réionisation" et toute la partie bleue, avant la raie Lyman-alpha du spectre observé, qui est absorbé.

La vidéo ci-desous montre l'évolution du spectre au cours du trajet d'un flux de photons issus du quasar lointain et qui peu à peu se redshifte tout en montrant les raies d'absorption de la forêt Lyman :

https://www.youtube.com/watch?reload=9&v=6Bn7Ka0Tjjw

Je comprends que l'hydrogène placé à proximité de la raie de Lyman-alpha soit absorbé car les gaz d'hydrogène proches du quasar absorbent les photons du quasar mais qu'en est-il des photons de longueurs d'ondes plus courtes ? pourquoi n'apparaissent t-ils dans le spectre observé ?

Si, selon la ligne de visée, il y a des atomes d'hydrogène ionisé H+, alors les photons du quasar ne devraient pas être absorbés, non ? ça voudrait dire qu'il n'y a peu de H+ sur la ligne de visée, et donc on pourrait faire le lien entre la faible densité de H+ et la fin de la réionisation ?

toute aide à la compréhension de cet effet est la bienvenue.
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[Gilgamesh]

Les photons de longueur d'onde plus courte (UV) ne sont pas absorbé immédiatement, mais il finissent par l'être quand le redshitf cosmologiue les amène à la fréquence d'une raie de Lyman, d'où la "forêt de Lyman" qui apparait sur l'aile gauche, représenté dans la vidéo. C'est bien ça ta question ?

[fabio123]

@Gilgamesh

oui en effet, je comprends que les photons UV (émis par le quasar) avec une longueur d'onde inférieure à 1216 Angstroms (Ly-alpha) ne seront pas absorbés par l'environnement proche (je veux dire avec des atomes d'hydrogène) du quasar.

Par contre, le long de leur parcours, leur longueur d'onde s'allonge jusqu'à coincider à un certain redshift avec la présence d'un nuage d'atomes d'hydrogène.

Mais il y a plusieurs choses qui me troublent :

1) Pourquoi y'a t-il un pic au départ à : c'est une raie d'émission et non une raie d'absorption : d'après les règles du rayonnement de Kirchoff, les raies d'émission apparaissent sur un spectre quand il s'agit du rayonnement d'un gaz chaud. Peut-on considérer le quasar comme un gaz chaud ? est-ce du au contenu du quasar , c'est-à-dire à sa constitution qui provoque l'émission de Ly-alpha ? Ou à son environnement très proche qui est fait d'atomes d'Hydrogène ?

Sur la figure suivante est indiqué le spectre de départ quand la lumière vient juste de quitter le quasar :

Capture d’écran 2018-10-08 à 2.36.26 PM.jpg

A quoi correspondent les autres raies d'émission (respectivement à 1030, 1400 et 1550 Angstroms) ?

2) QUEL est le lien entre l'absorption totale, qui apparait sur les spectres de mon premier post, pour une longueur inférieure à 1216 Angstroms ET l'époque de la réionisation ( estimé à z = 10-11 par le satellite Planck) ?

3) Est-ce que la longueur minimale provoquant des raies d'absorption est égale à 912 Angstroms ? car ceci correspond à l'énergie minimale qui peut ioniser un atome d'hydrogène dans son état fondamental, non ? Si un photon de longueur d'onde 912 Angstroms ionise un atome d'hydrogène, Alors, ce photon ne sera pas vu dans le spectre : il y aurait donc une absorption située à : est-ce exact ?

4) Sur le spectre final (image ci-dessous), on voit apparaître sur la gauche, en + de la forêt Lyman, des raies d'émission entre 970 et 1030 Angstroms : à quoi correspondent t-elles ? Ce sont des photons "parasites" qui viennent d'autres zones de gaz chaud et qui n'ont rien à voir avec le rayonnement initial du quasar ?

Capture d’écran 2018-10-08 à 2.37.13 PM.jpg

Cordialement

[Gilgamesh]

Peut-on considérer le quasar comme un gaz chaud ? est-ce du au contenu du quasar , c'est-à-dire à sa constitution qui provoque l'émission de Ly-alpha ? Ou à son environnement très proche qui est fait d'atomes d'Hydrogène ?

La source de lumière du quasar, c'est un disque d'accrétion porté à des centaine de milliers de degré. Oui, c'est chaud, plutôt

Sur la figure suivante est indiqué le spectre de départ quand la lumière vient juste de quitter le quasar :

Pièce jointe 374802

A quoi correspondent les autres raies d'émission (respectivement à 1030, 1400 et 1550 Angstroms) ?

à 1030 ça doit être Ly β
Le reste je sais pas.

2) QUEL est le lien entre l'absorption totale, qui apparait sur les spectres de mon premier post, pour une longueur inférieure à 1216 Angstroms ET l'époque de la réionisation ( estimé à z = 10-11 par le satellite Planck) ?

Je ne comprend pas bien la question.

3) Est-ce que la longueur minimale provoquant des raies d'absorption est égale à 912 Angstroms ? car ceci correspond à l'énergie minimale qui peut ioniser un atome d'hydrogène dans son état fondamental, non ? Si un photon de longueur d'onde 912 Angstroms ionise un atome d'hydrogène, Alors, ce photon ne sera pas vu dans le spectre : il y aurait donc une absorption située à : est-ce exact ?

L'énergie maximale (inversement proportionnelle à lambda).
Autrement je dirais oui, mais sans garantie.

4) Sur le spectre final (image ci-dessous), on voit apparaître sur la gauche, en + de la forêt Lyman, des raies d'émission entre 970 et 1030 Angstroms : à quoi correspondent t-elles ? Ce sont des photons "parasites" qui viennent d'autres zones de gaz chaud et qui n'ont rien à voir avec le rayonnement initial du quasar ?

Pièce jointe 374803

Je ne sais pas. Peut être oui.

[A voir en vidéo sur Futura]

[fabio123]

@Gilgamesh

oui, il faut parler de longueur d'onde maximale en dessous de laquelle l'ionisation de l'atome d'hydrogène est possible : je vais rechercher sur le web si cette valeur de 912 Angstroms est souvent rencontrée en spectroscopie.

Si je fais un simple calcul avec E=qV=h f = hc/L => L = hc/13.6 = 6.62 10^-34*3 10^8/(13.6.*1.6 10^-19) =912.68 Angstroms

Après, si on considère des longueurs d'ondes plus courtes, Alors il y a ionisation de H (et donc absorption aux allentours de 912.68 A et surement pour des longueurs d'ondes + courtes) : mais ces atomes d'hydrogène qui sont ionisés, proviennent-ils du disque d'accrétion ou de l'environnement proche du disque d'accrétion (milieu interstellaire ou intergalactique) ?

[Gilgamesh]

@Gilgamesh

oui, il faut parler de longueur d'onde maximale en dessous de laquelle l'ionisation de l'atome d'hydrogène est possible : je vais rechercher sur le web si cette valeur de 912 Angstroms est souvent rencontrée en spectroscopie.

Si je fais un simple calcul avec E=qV=h f = hc/L => L = hc/13.6 = 6.62 10^-34*3 10^8/(13.6.*1.6 10^-19) =912.68 Angstroms

Après, si on considère des longueurs d'ondes plus courtes, Alors il y a ionisation de H (et donc absorption aux allentours de 912.68 A et surement pour des longueurs d'ondes + courtes) : mais ces atomes d'hydrogène qui sont ionisés, proviennent-ils du disque d'accrétion ou de l'environnement proche du disque d'accrétion (milieu interstellaire ou intergalactique) ?

La source est un plasma a des centaine de millier de K, c'est complètement ionisé cette histoire Mais c'est une émission thermique (donc pas un spectre de raie).

Donc si c'est en absorption, c'est forcément dans un milieu plus froid.

[fabio123]

La source est un plasma a des centaine de millier de K, c'est complètement ionisé cette histoire Mais c'est une émission thermique (donc pas un spectre de raie).

Bonjour,

comment expliquer le pic (c'est une raie d'émission) à 1216 Angstroms sur la figure suivante :

Capture d’écran 2018-10-08 à 2.36.26 PM.jpg

En effet, Gilgamesh me dit qu'un quasar est un disque d'accrétion porté à plusieurs centaines de millier de Kelvins, donc tout est ionisé :

1) mais quel est le spectre attendu d'un gaz ou milieu presque totalement ionisé ?

2) Est-ce que le spectre attendu est le spectre d'un corps noir (Loi de Boltzmann) ?

3) D'après les 3 lois de Kirchoff, les raies d'émissions apparaissent quand on observe le spectre d'un gaz chaud :
Est-ce que cette raie d'émission Ly-alpha à 1216 Angstroms caractérise le disque d'accrétion et son milieu environnant proche (qui est aussi ionisé) ?

Concernant le spectre suivant, j'ai la question 4) suivante :

spectre2.jpg

4) En dessous de 1216 Angstroms, il y a un plateau avant que n'apparaisse sur la gauche la foret de Lyman (ça me semble être la forêt de Lyman même si ça ressemble plus à des raies en émissions qu'à des raies en absorption) qui traduit tous les nuages intervenants entre le quasar et nous : comment expliquer la présence de ce plateau (quasi-null en intensité) entre les premières forets sur la gauche et le pic d'émission à 1216 Angstroms ?

Merci pour votre aide

[Gilgamesh]

Bonjour,

comment expliquer le pic (c'est une raie d'émission) à 1216 Angstroms sur la figure suivante :

Pièce jointe 375028

En effet, Gilgamesh me dit qu'un quasar est un disque d'accrétion porté à plusieurs centaines de millier de Kelvins, donc tout est ionisé :

1) mais quel est le spectre attendu d'un gaz ou milieu presque totalement ionisé ?

2) Est-ce que le spectre attendu est le spectre d'un corps noir (Loi de Boltzmann) ?


3) D'après les 3 lois de Kirchhoff, les raies d'émissions apparaissent quand on observe le spectre d'un gaz chaud :
Est-ce que cette raie d'émission Ly-alpha à 1216 Angstroms caractérise le disque d'accrétion et son milieu environnant proche (qui est aussi ionisé) ?

Cela dépend de la densité ou plus exactement de l'épaisseur optique. Si le milieu est très diffus et transparent, les collisions vont exciter les atomes, les électrons vont grimper à différents niveaux d'énergie puis redescendre en produisant des photons qui quittent le milieu sans être réabsorbés, produisant un spectre de raie en émission.

Si le milieu est optiquement épais, bien que chaque photon soit émis à une longueur d’onde précise ils vont être réabsorbés à une longueur d'onde qui va dépendre de la vitesse relative entre la particules qui a émis le photon et celle qui l'absorbe (effet Doppler). Même sans être absorbés, les photons échangent de l'énergie par des chocs élastiques, essentiellement avec les électrons (diffusion Thomson), et au final, ils se trouvent à l'équilibre thermique avec le milieu. Quand la lumière sort du gaz, elle a un spectre thermique (corps noir).

C'est pour ça qu'on distingue dans la loi de Kirchhoff les milieux solides (opaque => spectre continu) et les gaz (optiquement fins, dans les conditions du labo => spectre d'émission).

Bien que les surfaces stellaires soient gazeuses, elles sont tellement profondes qu'elles sont optiquement épaisses donc on a un spectre thermique. C'est le cas également des disques d'accrétions des quasars.

Concernant le spectre suivant, j'ai la question 4) suivante :

Pièce jointe 375029

4) En dessous de 1216 Angstroms, il y a un plateau avant que n'apparaisse sur la gauche la foret de Lyman (ça me semble être la forêt de Lyman même si ça ressemble plus à des raies en émissions qu'à des raies en absorption) qui traduit tous les nuages intervenants entre le quasar et nous : comment expliquer la présence de ce plateau (quasi-null en intensité) entre les premières forets sur la gauche et le pic d'émission à 1216 Angstroms ?

Merci pour votre aide

Je sais pas trop, faudrait peut être voir à quoi ressemble le spectre initial.