近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)早期宇宙與高紅移星系團(tuán)組通過分析哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)著名深場(chǎng)GOODS-S的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一例121億光年之外(紅移3.8)、具有萊曼電離光子逃逸的星系。這一星系的發(fā)現(xiàn)為探索星系驅(qū)動(dòng)宇宙再電離過程提供了絕佳的研究對(duì)象。相關(guān)成果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志通訊》上。

宇宙再電離時(shí)期發(fā)生在約130億年前，涉及宇宙中第一代天體的誕生和整體宇宙的最后一次重大相變。在這個(gè)過程中，宇宙中最豐富的元素氫在整體中性氫的環(huán)境里，在第一代恒星、星系和黑洞所產(chǎn)生的紫外光子的電離作用下，變成了整體電離氫。因此，對(duì)于宇宙再電離時(shí)期的研究是當(dāng)前天文學(xué)最前沿的領(lǐng)域之一，正在飛向目的軌道的韋布(JWST)空間望遠(yuǎn)鏡和下一代平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA)都已將宇宙再電離納入核心科學(xué)目標(biāo)。

然而，由于星系際介質(zhì)的吸收以及流量信號(hào)隨距離增加而減弱的效應(yīng)，科學(xué)家無法直接觀測(cè)到宇宙再電離時(shí)期星系所產(chǎn)生的萊曼電離光子對(duì)周圍中性氫進(jìn)行電離的過程。因此，在星系的萊曼電離光子逃逸問題上，僅局限于對(duì)中低紅移處(紅移4以下)的十多例具有萊曼電離光子逃逸的星系樣本的研究。這些研究需要深度的紫外觀測(cè)數(shù)據(jù)以獲取紅移后的萊曼電離光子(靜止坐標(biāo)系波長(zhǎng)在912埃以下)的探測(cè)信號(hào)，來計(jì)算星系對(duì)中性氫的電離能力，從而理解宇宙再電離過程。

此次研究中，研究人員利用空間紫外深場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)一批具有強(qiáng)發(fā)射線的星系進(jìn)行了系統(tǒng)搜索，并發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)星系——CDFS-6664在哈勃紫外深場(chǎng)圖像上具有信噪比超過5的探測(cè)。根據(jù)該星系的紅移可知，該信號(hào)來自萊曼電離光子的輻射，這說明該星系極有可能具有萊曼電離光子逃逸現(xiàn)象。論文第一作者、上海天文臺(tái)副研究員袁方婷介紹：“我們通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該星系的譜線形狀和光譜能量分布均符合萊曼電離光子逃逸星系的特征，還發(fā)現(xiàn)該星系周圍環(huán)境比較特殊，其附近存在的類星體等電離源極有可能對(duì)視線方向上的中性吸收體進(jìn)行了電離，使得該星系的萊曼電離光子比其他星系更容易被我們觀測(cè)到。綜合這些證據(jù)，我們認(rèn)為該星系屬于現(xiàn)有觀測(cè)中罕見的高紅移萊曼電離光子逃逸星系。”

此項(xiàng)工作主要基于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的紫外深場(chǎng)HDUV數(shù)據(jù)。論文合作者、上海天文臺(tái)研究員鄭振亞表示，該工作進(jìn)一步確認(rèn)了空間紫外深場(chǎng)的研究?jī)r(jià)值。(袁方婷)