类星体的光里为什么有一片暗线森林

氢先选中一小段紫外光

一束看起来连续的光，摊开后包含许多波长。把各个波长收到的光量排在一起，就是光谱。如果某个波长的光在路上被吸收，相应的位置便暗下去，形成吸收线。

氢原子有几种允许的电子能量。处于最低能量的原子，能够吸收一份恰好把电子送到下一个能级的光。这条跃迁叫莱曼α，静止氢对应的波长约为121.567纳米，属于肉眼看不见的紫外光。

参与这条吸收的是仍带着电子的氢，也就是中性氢。星系际气体的大部分氢已经被辐射电离，电子与质子分开了。剩下的一小部分中性氢，仍足以在漫长光路上留下明显缺口。暗线直接反映这部分氢的吸收。要推算全部气体，还需要计算中性比例。

设想光一路经过几片气体。每片氢在自己的静止参考系里，都偏爱同一段紫外波长。光离开气体后继续传播；宇宙膨胀把波长拉长。不同距离的气体，便在收到的光谱上留下位置各异的吸收。

这种波长被拉长的程度叫红移。红移为三时，波长被拉长到原来的四倍，原先121.567纳米的记号会移到约486.268纳米。这个例子说明：今天落在可见光里的缺口，可以来自气体当时吸收的紫外光。

光在远近不同的气体中被吸收后，到我们这里还要经历不同程度的红移。较近气体的莱曼α吸收通常落在较短波长，因此森林出现在类星体自身莱曼α发射线的蓝侧。气体还会相对整体膨胀流运动，让每个记号再发生一点偏移。

最容易想到的画法，是一朵云留下一条线，再由许多云组成森林。这个图景适合起步。把气体分布看得更细时，星系际介质也可以是一片连续起伏的密度场：有的地方稠一些，有的地方稀一些，速度沿途变化。

吸收强的地方往往含有更多中性氢，但深度还受电离状态和温度影响。密度相同的两片气体，如果一片受到更强的电离辐射，它留下的中性原子就可能更少。原子温度较高时，热运动也会把吸收铺向更宽的波长范围。

空间位置和光谱位置之间的关系同样会折叠。相隔较远的两处气体，可以具有相近的退行速度，在同一段光谱里共同吸收。一个宽凹谷也可能是几份展宽后的贡献叠在一起。要给每一条线分配一个唯一距离，便需要更多模型和观测信息。

先让光通过一小段气体，再通过下一小段。每一段都会保留前一段送来的一部分光；整条路径的透射比例，就是这些保留比例的连乘。为了方便相加，人们把吸收强弱换成一个量，叫光学深度。沿途各段的光学深度可以直接相加。

只考虑吸收时，假如第一段保留入射光的五分之一，第二段又让其中一半通过，最后便只剩原来光量的十分之一。这笔账要在每个波长上分别计算：某一段强烈吸收的光，可能与下一段偏爱的波长略有错开。

下式把总光学深度换回最后透过的光的比例。透射比例是收到的光除以假设没有沿途吸收时的背景光；总光学深度描述同一波长上叠加的吸收。光学深度增加，剩下的光就减少。

一个很深的凹谷已经接近全黑，继续增加吸收物质，中心也未必明显更黑，变化可能更容易出现在两侧。理解这种饱和后，再比较线宽、翼部和整段光谱，才能把“看起来差不多”的凹谷分开。

莱曼α森林因而把一片难以直接看见的气体，变成了一串可以测量的缺口。密度、电离、温度和速度都参与写下这些记号。接下来的计算从最小的一段气体开始，把这些步骤逐个连起来。

F=e^{-\tau}

F

是某个波长的透射比例，

\tau

是沿途叠加的光学深度；背景连续谱需要另行估计。