Lyman α森林
Lyman线系是氢原子的电子从基态向更高能级跃迁时产生的。其中宇宙学家最关心的是Lyman α线，也就是电子自n=1向n=2跃迁时形成的那一条。宇宙中存在着大量中性氢原子和高能光子，电子在不同能级之间的跃迁属于家常便饭，因此利用Lyman α线研究氢的数量也就成为了可能。宇宙学上所研究的氢云散布在星系之间，引起氢云中电子跃迁的辐射源则是氢云后面遥远的类星体。
氢原子跃迁示意图。
由于宇宙的膨胀，事情远没有那么简单。研究中性氢云发射的Lyman α线的目的绝不只是为了了解氢云的数量。遥远的类星体发出的光被红移，波长变长，而相对较近的氢云与波长被红移至紫外波段的1216埃（也就是Lyman α线的波长）的所有光子发生作用，导致所观测的类星体光谱形态发生变化。
如果在类星体和地球之间不存在氢云，类星体的谱线应为热辐射与非热辐射结合的连续谱。与类星体距离不同的氢云吸收了原本波长不同，但在氢云所在处被红移至1216埃的类星体辐射，形成光谱中的吸收线。在继续向地球运动的过程中，这些谱线又被进一步红移至不同波长。根据目前了解的宇宙膨胀情况，人们可以推算出在吸收线的形成处与地球距离多少，进而了解类星体与地球之间氢云的空间分布情况。
常见的情况是，类星体的光谱中有一簇密集的吸收线，是光线在抵达地球之前经过远远近近的中性氢云时形成的。由于高红移类星体发出的光穿越的氢云数量更多，因此类星体距离地球越远，吸收线也就越密集，最明显的是红衣为2-4的类星体。如果各条吸收线可以被清晰分辨出来，这就是Lyman α森林（Lyman Alpha Forest）；如果更密集些，则叫做Lyman极限系统（Lyman Limit Systems）；如果谱线分布密集到连成一片吸收带，就被称为阻尼Lyman α系统（Damped Lyman Alpha System）。
类星体3C273（上）和Q1422+2309（下）的光谱吸收线，前者只有几条Lyman α线（其中的宽线是银盘引起的）；后者光谱中吸收线则占据了大半。（图片提供：Bill Keel’s web site）
Lyman α吸收线的谱线轮廓部分决定于氢原子n=2的激发态寿命，并被认为是与正在进行的星系形成相关联。阻尼Lyman α系统尤其适于用来研究这一问题。另外有计算表明，Lyman α森林对热暗物质的含量也非常敏感。
因此通过研究Lyman α，宇宙学家可以了解星系际中性氢团块的分布、数量和演化问题，还能通过数值模拟等方法了解了宇宙大尺度结构的形成和热暗物质的情况，并得出了不少成果，如氢云的分布并非均匀，而是呈现丝状或松散的团块状结构，它们是落入引力势阱的气体；宇宙中存在的热暗物质不可能很多，因为热暗物质运动很快，会抹平小尺度上氢云的分布；宇宙的网状结构是由原初小的起伏塑造的，不必借助其他未知作用即可解释，等等。不过使用Lyman α森林的不足之处是，它不大适合研究宇宙中氢云的大尺度均匀分布。
红移值z=3的氢云分布模拟。（图片提供：J. Shalf, Y. Zhang (UIUC) et al., GCCC）
其他与Lyman α森林有关的成果还包括：清晰地展示了类星体光谱的红移（因Lyman α线位于紫外线波段而地面观测的Lyman α森林则在长波段）；通过观测类星体对而揭示出吸收结构的大尺度和低密度；发现了与低密度吸收氢云相联系的金属线；由氢云的分布进而透露了暗物质集中的情况；以氘（其谱线与氢原子的有少许不同）为线索探讨早期宇宙中普通物质的含量……
自20世纪90年代以来，凯克天文台和欧洲南方天文台的甚大望远镜都进行过相关的研究，数值模拟提供了不少有价值的结果，而斯隆等巡天计划也提供了大量高质量类星体光谱数据。但存在的疑难问题仍然很多。首先，氢云的尺度和具体分布情况仍旧是未知数。其次，当代宇宙中氢云的缺乏也需要进一步的解释。除此之外，星系接近的效应也是需要深入研究的课题，是深入研究理解高质量数据所必须考虑的。如果能在Lyman α森林的研究上取得进一步的突破，更可能为揭开暴涨、暗物质的谜团提供线索。
参考资料：
[1] The Lyman-alpha Forest as a Cosmological Tool, David H. Weinberg, Romeel Dav’e, Neal Katz, Juna A. Kollmeier, AIP Conf.Proc. 666 (2003) 157-169
[2] http://astron.berkeley.edu/~jcohn/lya.html
[3] http://www.astro.ucla.edu/~wright/Lyman-alpha-forest.html
