宇宙黑暗时代星系观测再获重要突破

发稿时间：2017-10-11，作者：中国科学院星系宇宙学重点实验室浏览次数：360

中国科学技术大学王俊贤教授发起组织的由中国、美国、智利三国天文学家参加的“宇宙再电离时期的莱曼阿尔法星系”  （英文缩写LAGER）研究项目在宇宙黑暗时代星系观测研究领域再获突破性进展。该项目使用安装于智利CTIO天文台4米口径望远镜的超大视场暗能量相机，通过专门定制的窄带滤波片，系统搜寻宇宙黑暗时代莱曼阿尔法发射线星系候选者（红移~7.0），并使用国际大型望远镜进行光谱证认，以研究宇宙再电离和宇宙早期的星系形成与演化。
在之前的工作中，他们观测获得了一个宇宙早期（大爆炸后约8亿年，约为宇宙当前年龄6%时）的星系候选者样本，并发现在该宇宙年龄处，宇宙星系际弥散介质中氢的电离比例为约50%。研究结果发表在国际一流天体物理期刊《天体物理快报》上（ApJL,  2017, 842, 22），被美国国家光学天文台以“遥远的星系揭开宇宙黑暗时代末期的面纱”为题专门撰文报道，并被美国天文学会AAS Nova Journals  Digest栏目推荐介绍。
在最新的工作中，他们使用美国卡内基天文台麦哲伦望远镜获得了其中6个星系的光谱证认，确认它们为宇宙大爆炸后约8亿年的星系，证认成功率高达67%。这一重要研究在《天体物理快报》发表（ApJL，845，  L16）。10月1日，美国卡内基天文台以“Found: Six galaxies from when the universe’s lights came  back on”为题对该项研究做了新闻发布。该项研究同样被美国天文学会AAS Nova Journals Digest栏目推荐介绍。
研究人员使用卡内基天文台麦哲伦望远镜证认获得了6个宇宙早期红移约7.0的星系（红色方框），插图给出了其中两个星系的Lyα发射线光谱，这两个距离很近的星系可能位于同一个宇宙电离气泡
宇宙大爆炸之后大约40万年，随着宇宙逐渐冷却，质子和电子结合为中性氢，宇宙进入黑暗时代。当在重力作用下宇宙第一代恒星和星系开始形成，它们发出的紫外光辐射电离了周围的中性氢，使得整个宇宙开始明亮起来，从而结束宇宙黑暗时代。这段整个宇宙的整体相变过程被称之为再电离。确定再电离的细致过程以及第一代星系何时形成是天体物理前沿一个极具挑战性的问题。
天文学家预期宇宙早期星系是强的莱曼阿尔法(Lyα)发射线天体，同时Lyα光子会被星系际弥散的中性氢原子散射，因此Lyα发射线星系是探测宇宙再电离和搜寻宇宙早期星系的关键手段。窄波段成像是搜寻Lyα发射线星系的有效途径，然而由于观测上的挑战，国际上对红移7.0及更遥远的此类星系的窄波段搜寻工作在过去十年间进展十分缓慢，仅有3例光谱证认。
LAGER项目通大天区的窄波段成像巡天，获得了高质量的候选星系样本。首批光谱观测即获得了6例光谱证认，其中两个星系具有明显的成团性，可能位于同一个宇宙电离气泡。这些光谱证认星系为研究宇宙早期的星系形成与演化奠定了重要基础。
论文第一作者为我校硕士研究生胡维达，王俊贤教授为通讯作者，上海天文台郑振亚研究员为共同通讯作者。论文核心作者还包括美国亚利桑那州立大学Sangeeta  Malhotra教授、James Rhoads教授和智利天主教大学Leopoldo Infante教授。我校孔旭教授和研究生康文泳为论文合作者。
该项研究得到了国家高层次人才特殊支持计划、自然科学基金委创新群体、中智天文合作研究项目、国际望远镜时间获取计划（TAP）等项目的支持。
（中科院星系与宇宙学重点实验室、物理学院、科研部）