宇宙黑暗时代再电离研究获重要突破

中国科学技术大学王俊贤教授自2012年发起组织的由中国、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）研究项目在宇宙再电离研究领域获突破性进展。该项目使用智利CTIO天文台4米口径望远镜上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（红移~7.0），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）的星系样本，并由此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%。6月21日，这一重要研究发表在国际一流天体物理期刊《天体物理快报》上（ApJL,  842, 22）。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”为题专门撰文报道了此项研究突破。研究同时被美国天文学会AAS Nova  Journals Digest栏目推荐介绍。

图：观测获得的23个宇宙早期z~7.0星系的分布（白色方框）及其中两个最亮源的放大图。

宇宙大爆炸之后大概30万年，整个宇宙处于黑暗时代。在那段时期，宇宙中没有恒星，没有星系，整个宇宙被中性氢所充满。在这个黑暗时代末期，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。这段整个宇宙的整体相变过程被称之为再电离。虽然天文学家们知道其发生于宇宙大爆炸后大约3亿年至10亿年之间，并且宇宙第一代星系在其中起到了显著作用，但是确定再电离的细致过程以及第一代星系何时形成依然是天体物理前沿一个极具挑战性的问题。宇宙早期天体所辐射的莱曼阿尔法(Lyα)发射线光子会被星系际弥散的中性氢原子散射，就像大雾中的车灯，使得星系被遮挡。如果周围环境开始电离，大雾变弱，完全电离则大雾消失。对莱曼阿尔法发射线星系的观测因此是探测宇宙再电离的关键手段。

LAGER项目的第一篇研究论文即取得重要突破。宇宙年龄8亿年处是宇宙再电离研究的最前沿，由于观测上的挑战，国际上对红移7.0及更遥远的莱曼阿尔法星系的类似搜寻工作，在过去10年间进展十分缓慢。LAGER在第一个目标天区（计划4个）即探测到了宇宙年龄在8亿年处23例莱曼阿尔法发射线星系。这批样本也是该红移处最大的星系样本。分析发现，莱曼阿尔法星系的数目在宇宙年龄10亿年处（红移5.7）大概是宇宙年龄8亿年处的4倍。这表明宇宙再电离的过程始于更早期，在宇宙年龄8亿年处仍然未完成，大概处于一半电离一半电中性的状态，并且是非均匀的。宇宙年龄8亿年处星系数目的降低来自于中性氢对星系莱曼阿尔法发射线辐射的抑制。这个结果意味着，宇宙在它当前年龄不到6%处，这场大雾（宇宙整体的中性氢环境）已经开始消散（50%电离）；早期宇宙中很大比例的第一代星系需要形成于宇宙年龄8亿年之前。

图：CTIO天文台工作人员安装项目为暗能量相机专门定制的窄带滤波片（产权归属科大）。图片来源：美国国家光学天文台。

LAGER项目的组织者（Organizer）是我校王俊贤教授。论文第一作者为上海天文台郑振亚研究员（中国科大2012届博士毕业生），同时也是LAGER项目的共同组织者。项目其他核心成员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胡维达为论文合作者。

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，中智天文合作研究等项目的支持。

论文链接：http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa794f

美国国家光学天文台新闻报道链接：https://www.noao.edu/news/2017/pr1703.php