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title: "莱曼α森林：气体、速度与吸收谱互动实验｜Sandbox Physics"
description: "一束类星体的光，为什么会留下密密麻麻的暗线？中性氢会吸收莱曼阿尔法跃迁附近的光。"
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  en: "https://sandboxphysics.com/labs/lyman-alpha-sightline/"
last_modified: "2026-11-11"
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让类星体的光照过星系际氢

# 莱曼α森林：气体、速度与吸收谱

**一束类星体的光，为什么会留下密密麻麻的暗线？** 中性氢会吸收莱曼阿尔法跃迁附近的光。宇宙膨胀和气体运动把不同位置的吸收移到不同波长，于是留下成片暗线。密度影响有多少氢参与吸收，温度则同时改变中性比例和谱线宽度。

拖动视线穿过三维气体场，把同一片氢的空间密度、退行速度和透射光谱连起来看。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

这里是一片规定的有限气体场，不演化宇宙结构。光谱只计算立方体内部的吸收；真实SDSS光谱练习另列。

物理教程

## 看一片气体怎样留下一条暗线

**背景** 远处的类星体提供明亮背景，沿途的氢从中吸收一小段颜色。每片气体的退行速度不同，它留下的缺口便出现在光谱的不同位置。

**为什么值得理解** 光谱容易测量，却不会直接画出气体的位置。让视线扫过一片已知的气体场，就能看见哪些信息被叠到了一起。

先抓重点

- **核心问题**: 你选中的凹谷，来自哪片气体？
- **一句话直觉**: 几个不同位置可以吸收同一种谱线速度的光。温度把每份贡献展宽；各处光学深度先相加，再决定最后剩下多少光。

### 核心数学模型

#### 本模型里的中性氢比例

$$
\Gamma_{\mathrm{photo}}n_{\mathrm{HI}}=\alpha(T)n_e n_p
$$

电离移走中性原子，复合又把它们补回来。这里采用纯氢和均匀辐射背景。

#### 热展宽

$$
b=\sqrt{\frac{2k_{\mathrm B}T}{m_{\mathrm H}}}
$$

温度越高，原子速度的分布越宽。即使气体位置固定，吸收也会铺向更宽的波长范围。

#### 位置映到谱线速度

$$
u(x)=aH x+v_x(x)
$$

位置采用共动坐标，尺度因子把它换成膨胀贡献。本动速度能让几处气体挤到同一种速度。显示相机不决定这个物理方向。

#### 沿视线叠加吸收

$$
\tau(v)=\int n_{\mathrm{HI}}(x)\,\sigma_v[v-u(x)]\,a\,\mathrm dx,\qquad F(v)=e^{-\tau(v)}
$$

完整Voigt截面包含热展宽和自然展宽。直接沿空间积分，在速度映射折回时仍然有限，不需要倒置这张映射。

### 常见难点

#### 一条暗线就是一朵云？

**容易误解** 一个凹谷对应一个距离确定的天体。

**正确理解** 几处气体可以共享退行速度，热展宽后的线翼也会重叠。选中的波长标出的是合起来的贡献。

#### 温度与压力历史

**容易误解** 调高温度就会把细小气体结构一起抹平。

**正确理解** 这里温度只改变中性丰度和线宽。压力平滑需要演化热历史，这片固定气体场没有计算它。

### 动手实验

1. 01

   #### 跟踪一个凹谷

   点击光谱里较暗的位置，再拖动光源扫过立方体。

   **你会看到：** 视线、密度剖面、速度映射与缺失的光一起改变。

2. 02

   #### 给同一片气体升温

   保持视线不变，对比低温与高温预设。

   **你会看到：** 谱线变宽，中性氢比例也降低。这两种变化都会影响透过的光。

3. 03

   #### 让速度挤到一起

   把本动速度强度调到零，再与速度挤压预设对比。

   **你会看到：** 空间气体场保持不动，速度映射却弯曲，甚至折回。更深的凹谷未必意味着多了一颗天体。

物理结论

莱曼阿尔法森林是经过电离、温度和运动共同改写的气体图景。要从中读出密度，必须把这些影响放在同一套计算里。

## 相关实验与文章

莱曼阿尔法森林 · 阅读路径

### 从氢原子走到森林光谱

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **类星体的光里为什么有一片暗线森林**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/lyman-alpha-forest/why-quasar-light-holds-a-forest/)
2. [文章 **吸收线变浅，是气体更热了，还是电离更强了？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/lyman-alpha-forest/temperature-and-ionization/)
3. [文章 **从一片氢算到一条吸收谱**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/lyman-alpha-forest/from-hydrogen-to-an-absorption-line/)
4. [文章 **不同位置的气体怎样挤进同一段光谱**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/lyman-alpha-forest/when-several-places-share-one-velocity/)
5. [文章 **从一条 SDSS 光谱，重算森林里透过了多少光**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/lyman-alpha-forest/recompute-a-fixed-sdss-sightline/)
6. [文章 **从速度梯度里，读出气体过去受过的热**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/lyman-alpha-forest/read-pressure-history-in-small-scale-velocities/)

波与光学 · 入门路径

## 从一条光线到干涉测量

从折射出发，找到光线模型失效的地方，再用干涉测量极小的距离。

[从这里开始 → **光学界面探索器** 转动入射角，观察反射与透射功率此消彼长；再切换到“临界角与全反射”场景。 观察 · 11 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)

1. [1 光学界面探索器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)
2. [2 彩虹焦散观测站](https://sandboxphysics.com/zh/labs/rainbow-laboratory/)
3. [3 针孔相机](https://sandboxphysics.com/zh/labs/camera-obscura/)
4. [4 相干波合成器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/coherent-wave-composer/)
5. [5 Young 双缝实验台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/young-double-slit-bench/)
6. [6 Michelson 精密测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/michelson-precision-lab/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/waves-and-optics/#starter-path)