科学家发现121亿光年之外具有莱曼电离光子逃逸的星系

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)著名深场GOODS-S的观测数据，发现了一例121亿光年之外(红移3.8)、具有莱曼电离光子逃逸的星系。这一星系的发现为探索星系驱动宇宙再电离过程提供了绝佳的研究对象。相关成果发表在《天体物理学杂志通讯》上。

宇宙再电离时期发生在约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。在这个过程中，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，对于宇宙再电离时期的研究是当前天文学最前沿的领域之一，正在飞向目的轨道的韦布(JWST)空间望远镜和下一代平方公里阵列射电望远镜(SKA)都已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)的十多例具有莱曼电离光子逃逸的星系样本的研究。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。

此次研究中，研究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了系统搜索，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。根据该星系的红移可知，该信号来自莱曼电离光子的辐射，这说明该星系极有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。”

此项工作主要基于哈勃空间望远镜的紫外深场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。

(袁方婷)

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