Une série de raies d'absorption dans les spectres de quasars causée par des nuages d'hydrogène neutre interposés.La forêt Lyman-alpha est un épais fourré de raies d'absorption qui apparaît dans les spectres des quasars lointains. Lorsque la lumière d'un quasar traverse des nuages d'hydrogène neutre dispersés dans l'univers, chaque nuage absorbe une longueur d'onde spécifique de la lumière — la transition Lyman-alpha de l'hydrogène. En raison de l'expansion de l'univers, l'absorption de chaque nuage est décalée vers le rouge d'une quantité différente selon sa distance, créant ainsi une « forêt » de raies plutôt qu'une seule. Ce motif est une sonde puissante de la structure à grande échelle du cosmos, révélant la distribution du gaz le long de la ligne de visée.
La forêt Lyman-alpha a été identifiée pour la première fois dans les spectres de quasars au début des années 1970, le terme ayant été inventé par l'astronome Roger Lynds en 1971. Elle a rapidement été reconnue comme un outil cosmologique puissant, et son interprétation comme traceur du gaz intergalactique a été consolidée grâce aux observations et aux simulations dans les années 1990.
L'hydrogène neutre absorbe la lumière à une longueur d'onde de repos de 121,6 nanomètres (la raie Lyman-alpha). Alors que la lumière du quasar voyage vers nous, elle rencontre des nuages de ce gaz à différentes distances. L'expansion de l'univers étire la lumière, de sorte que l'absorption par un nuage plus proche apparaît à une longueur d'onde plus courte que celle d'un nuage plus lointain. Le résultat est une série de creux d'absorption à différentes longueurs d'onde, chacun marquant un nuage distinct. En analysant la densité et la distribution de ces raies, les astronomes peuvent cartographier la distribution de l'hydrogène neutre et en déduire la structure sous-jacente de la matière noire, car le gaz suit l'attraction gravitationnelle de la matière noire.
La forêt Lyman-alpha est utilisée pour contraindre les paramètres cosmologiques, tels que la densité de matière et l'amplitude des fluctuations de densité, ainsi que pour étudier l'époque de la réionisation et la distribution de la matière noire.
La forêt Lyman-alpha est si sensible à la présence d'hydrogène neutre qu'elle peut détecter des nuages de gaz avec des densités aussi faibles que quelques atomes par mètre cube — bien plus raréfiés que le meilleur vide jamais créé sur Terre.
