中外學者發現一批宇宙大爆炸後約8億年形成的古老星系

中國科學技術大學王俊賢教授發起組織的由中國、美國、智利三國天文學家參加的「宇宙再電離時期的萊曼阿爾法星系」 （英文縮寫LAGER）研究項目在宇宙黑暗時代星系觀測研究領域再獲突破性進展。該項目使用安裝於智利CTIO天文台4米口徑望遠鏡的超大視場暗能量相機，通過專門定製的窄帶濾波片，系統搜尋宇宙黑暗時代萊曼阿爾法發射線星系候選者（紅移~7.0），並使用國際大型望遠鏡進行光譜證認，以研究宇宙再電離和宇宙早期的星系形成與演化。

在之前的工作中，他們觀測獲得了一個宇宙早期（大爆炸後約8億年，約為宇宙當前年齡6%時）的星系候選者樣本，並發現在該宇宙年齡處，宇宙星系際彌散介質中氫的電離比例為約50%。研究結果發表在國際一流天體物理期刊《天體物理快報》上（ApJL, 2017, 842, 22），被美國國家光學天文台以「遙遠的星系揭開宇宙黑暗時代末期的面紗」為題專門撰文報道，並被美國天文學會AAS Nova Journals Digest欄目推薦介紹。

在最新的工作中，他們使用美國卡內基天文台麥哲倫望遠鏡獲得了其中6個星系的光譜證認，確認它們為宇宙大爆炸後約8億年的星系，證認成功率高達67%。這一重要研究在《天體物理快報》發表（ApJL，845， L16）。10月1日，美國卡內基天文台以「Found: Six galaxies from when the universe』s lights came back on」為題對該項研究做了新聞發布。該項研究同樣被美國天文學會AAS Nova Journals Digest欄目推薦介紹。

研究人員使用卡內基天文台麥哲倫望遠鏡證認獲得了6個宇宙早期紅移約7.0的星系（紅色方框）

插圖給出了其中兩個星系的Lyα發射線光譜，這兩個距離很近的星系可能位於同一個宇宙電離氣泡

宇宙大爆炸之後大約40萬年，隨著宇宙逐漸冷卻，質子和電子結合為中性氫，宇宙進入黑暗時代。當在重力作用下宇宙第一代恆星和星系開始形成，它們發出的紫外光輻射電離了周圍的中性氫，使得整個宇宙開始明亮起來，從而結束宇宙黑暗時代。這段整個宇宙的整體相變過程被稱之為再電離。確定再電離的細緻過程以及第一代星系何時形成是天體物理前沿一個極具挑戰性的問題。

天文學家預期宇宙早期星系是強的萊曼阿爾法(Lyα)發射線天體，同時Lyα光子會被星系際彌散的中性氫原子散射，因此Lyα發射線星系是探測宇宙再電離和搜尋宇宙早期星系的關鍵手段。窄波段成像是搜尋Lyα發射線星系的有效途徑，然而由於觀測上的挑戰，國際上對紅移7.0及更遙遠的此類星系的窄波段搜尋工作在過去十年間進展十分緩慢，僅有3例光譜證認。

LAGER項目通大天區的窄波段成像巡天，獲得了高質量的候選星系樣本。首批光譜觀測即獲得了6例光譜證認，其中兩個星系具有明顯的成團性，可能位於同一個宇宙電離氣泡。這些光譜證認星係為研究宇宙早期的星系形成與演化奠定了重要基礎。

論文第一作者為我校碩士研究生胡維達，王俊賢教授為通訊作者，上海天文台鄭振亞研究員為共同通訊作者。論文核心作者還包括美國亞利桑那州立大學Sangeeta Malhotra教授、James Rhoads教授和智利天主教大學Leopoldo Infante教授。我校孔旭教授和研究生康文泳為論文合作者。

該項研究得到了國家高層次人才特殊支持計劃、自然科學基金委創新群體、中科院百人計劃C、中智天文合作研究項目、國際望遠鏡時間獲取計劃（TAP）等項目的支持。

（中科院星系與宇宙學重點實驗室、物理學院、科研部）

論文鏈接：//iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa8401

美國卡內基天文台新聞報道鏈接：http://obs.carnegiescience.edu/content/found-six-galaxies-when-universe』s-lights-came-back

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