Las burbujas Lyman-alpha son regiones extensas de gas de hidrógeno neutro ionizado por la intensa radiación ultravioleta emitida por las primeras galaxias formadas en el Universo joven. Este fenómeno ocurre durante la era de la reionización cósmica, una fase clave comprendida entre aproximadamente 400 millones y 1 mil millones de años después del Big Bang, donde el gas intergaláctico pasa de un estado neutro a un estado ionizado. La observación y modelización de estas burbujas permiten estudiar la naturaleza de las primeras fuentes de luz, la estructuración del Universo primordial, así como los mecanismos físicos relacionados con la difusión y absorción de la radiación Lyman-alpha.
La radiación Lyman-alpha corresponde a la transición electrónica de un átomo de hidrógeno cuando el electrón cae del nivel 2 al nivel fundamental 1, con una longitud de onda en el vacío de \(\lambda_{Ly\alpha} = 121.567\) nm, en el ultravioleta cercano. La línea Lyman-alpha es extremadamente resonante, lo que significa que los fotones emitidos son muy fuertemente dispersados por el hidrógeno neutro circundante. Esta dispersión múltiple conduce a perfiles espectrales complejos y a una espacialización extendida de la señal observada, a menudo en forma de burbujas.
La formación de una burbuja Lyman-alpha comienza con la emisión de fotones ionizantes UV de estrellas jóvenes masivas o de agujeros negros supermasivos nacientes en las primeras galaxias. Estos fotones ionizan el gas neutro circundante, formando una región de hidrógeno ionizado (HII). La recombinación de protones y electrones en esta región emite fotones Lyman-alpha, que luego escapan al Universo circundante. El tamaño típico de estas burbujas es del orden de varios cientos de kiloparsecs a unos pocos megaparsecs, dependiendo de la luminosidad de las fuentes y la densidad del medio.
La evolución temporal y espacial de estas burbujas está gobernada por la ecuación de transferencia radiactiva acoplada a la dinámica hidrodinámica y a la química del hidrógeno. Los modelos numéricos resuelven la ecuación de Boltzmann para la distribución de los fotones Lyman-alpha: \( \frac{1}{c}\frac{\partial I_{\nu}}{\partial t} + \mathbf{n} \cdot \nabla I_{\nu} = -\kappa_{\nu} I_{\nu} + j_{\nu} \)
Las burbujas Lyman-alpha se detectan principalmente por su emisión difusa en Lyman-alpha a altos corredimientos al rojo (\(z \sim 6-10\)), utilizando instrumentos sensibles a longitudes de onda desplazadas hacia el infrarrojo cercano. Estas observaciones proporcionan restricciones sobre:
Las burbujas Lyman-alpha, por su tamaño y distribución, trazan la topología de la reionización, un parámetro crucial para validar los modelos cosmológicos de formación estructural.
Las burbujas Lyman-alpha representan testigos esenciales de la era cósmica en la que las primeras estructuras luminosas transformaron el Universo. Son huellas fósiles del amanecer galáctico. Permiten comprender el fin de las "Edades Oscuras" desde ≈ 380.000 años (fin de la recombinación después del Big Bang) hasta 500 millones a 1 mil millones de años después del Big Bang (inicio de la reionización, desencadenada por las primeras estrellas y galaxias).
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