上海天文台在“宇宙再电离”研究中取得进展

　近日，中国科学院上海天文台早期宇宙与高红移星系团组通过分析哈勃空间望远镜（HST）深场GOODS-S的观测数据，发现一例121亿光年之外（红移3.8）、具有莱曼电离光子逃逸的星系。该星系的发现为探索星系驱动宇宙再电离过程提供了理想的研究对象。相关研究成果发表在《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上。 
　　宇宙再电离过程发生在约130亿年前，涉及宇宙中第一代天体的诞生和整体宇宙的最后一次重大相变。该过程中，宇宙中最丰富的元素“氢”在整体中性氢的环境里，在第一代恒星、星系和黑洞所产生的紫外光子的电离作用下，变成了整体电离氢。因此，宇宙再电离研究是当前天文学前沿的领域之一。韦布（JWST）空间望远镜和下一代平方公里阵列射电望远镜（SKA）都将“宇宙再电离”纳入核心科学目标。 
　　然而，由于星系际介质的吸收以及流量信号随距离增加而减弱的效应，科学家们无法直接观测到宇宙再电离时期星系所产生的莱曼电离光子对周围中性氢进行电离的过程。因此，在星系的莱曼电离光子逃逸问题上，仅局限于对中低红移处（红移4以下）的十余例具有莱曼电离光子逃逸的星系样本研究，这些研究需要深度的紫外观测数据以获取红移后的莱曼电离光子（静止坐标系波长在912埃以下）的探测信号来计算星系对中性氢的电离能力，从而理解宇宙再电离过程。 
　　该研究中，科研人员利用空间紫外深场数据对一批具有强发射线的星系进行系统搜索，并发现其中一个星系——CDFS-6664——在哈勃紫外深场图像上具有信噪比超过5的探测。根据该星系的红移（3.797）可知，该信号来自莱曼电离光子辐射，说明该星系较可能具有莱曼电离光子逃逸现象。论文第一作者、上海天文台副研究员袁方婷介绍：“我们通过进一步研究发现，该星系的谱线形状和光谱能量分布均符合莱曼电离光子逃逸星系的特征，还发现该星系周围环境比较特殊，其附近存在的类星体等电离源极有可能对视线方向上的中性吸收体进行了电离，使得该星系的莱曼电离光子比其他星系更容易被我们观测到。综合这些证据，我们认为该星系属于现有观测中罕见的高红移莱曼电离光子逃逸星系。” 
　　该工作主要基于哈勃空间望远镜（HST）的紫外深场HDUV数据。论文合作者、上海天文台研究员郑振亚表示，该工作进一步确认了空间紫外深场的研究价值。 
　　研究工作得到上海市自然科学基金、国家自然科学基金等的支持。

下图：星系CDFS-6664（红移约3.8）的莱曼电离光子辐射探测、能量光谱分布和莱曼阿尔法发射线形状

最早提出“暗物质”可能存在的是天文学家卡普坦，他于1922年提出可以通过星体系统的运动间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。1932年，天文学家奥尔特对太阳系附近星体运动进行了暗物质研究。然而未能得出暗物质存在的确凿结论。1933年，天体物理学家兹威基利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。

【恒星流照亮了银河系的暗物质】美国卡内基科学研究所的科学家们绘制了十几个恒星的关联图，这些恒星围绕环绕我们的银河系的气体晕运行。这些恒星形成细长的线，称为恒星流，围绕着主星系的边缘形成弧形。研究这些恒星结构有助于天文学家更好地理解我们星系中暗物质的分布，并通过吞噬较小的恒星群追溯星系是如何随着时间增长的。暗物质是一种不可见的物质，占宇宙所有物质的85%。它从未被观测到，但必须存在，才能从星系中观测到的万有引力中说得通，万有引力使恒星保持在它们的轨道上。
了解银河系是如何逐渐吞噬落入其控制下的较小星系的，可以帮助天文学家解开星系在数十亿年间的演变，从大爆炸后第一批恒星聚集到我们今天看到的由数千亿颗恒星组成的巨大星系。这项研究已被《天体物理学杂志》接受发表。