宇宙黑暗時代再電離研究獲重要突破

2021-01-12 中國科大新聞網

中國科學技術大學王俊賢教授自2012年發起組織的由中國、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）研究項目在宇宙再電離研究領域獲突破性進展。該項目使用智利CTIO天文臺4米口徑望遠鏡上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（紅移~7.0），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）的星系樣本，並由此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%。6月21日，這一重要研究發表在國際一流天體物理期刊《天體物理快報》上（ApJL, 842, 22）。美國國家光學天文臺以「遙遠的星系揭開宇宙黑暗時代末期的面紗」為題專門撰文報導了此項研究突破。研究同時被美國天文學會AAS Nova Journals Digest欄目推薦介紹。

 

圖：觀測獲得的23個宇宙早期z~7.0星系的分布（白色方框）及其中兩個最亮源的放大圖。

 

宇宙大爆炸之後大概30萬年，整個宇宙處於黑暗時代。在那段時期，宇宙中沒有恆星，沒有星系，整個宇宙被中性氫所充滿。在這個黑暗時代末期，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。這段整個宇宙的整體相變過程被稱之為再電離。雖然天文學家們知道其發生於宇宙大爆炸後大約3億年至10億年之間，並且宇宙第一代星系在其中起到了顯著作用，但是確定再電離的細緻過程以及第一代星系何時形成依然是天體物理前沿一個極具挑戰性的問題。宇宙早期天體所輻射的萊曼阿爾法(Lyα)發射線光子會被星系際彌散的中性氫原子散射，就像大霧中的車燈，使得星系被遮擋。如果周圍環境開始電離，大霧變弱，完全電離則大霧消失。對萊曼阿爾法發射線星系的觀測因此是探測宇宙再電離的關鍵手段。

 

LAGER項目的第一篇研究論文即取得重要突破。宇宙年齡8億年處是宇宙再電離研究的最前沿，由於觀測上的挑戰，國際上對紅移7.0及更遙遠的萊曼阿爾法星系的類似搜尋工作，在過去10年間進展十分緩慢。LAGER在第一個目標天區（計劃4個）即探測到了宇宙年齡在8億年處23例萊曼阿爾法發射線星系。這批樣本也是該紅移處最大的星系樣本。分析發現，萊曼阿爾法星系的數目在宇宙年齡10億年處（紅移5.7）大概是宇宙年齡8億年處的4倍。這表明宇宙再電離的過程始於更早期，在宇宙年齡8億年處仍然未完成，大概處於一半電離一半電中性的狀態，並且是非均勻的。宇宙年齡8億年處星係數目的降低來自於中性氫對星系萊曼阿爾法發射線輻射的抑制。這個結果意味著，宇宙在它當前年齡不到6%處，這場大霧（宇宙整體的中性氫環境）已經開始消散（50%電離）；早期宇宙中很大比例的第一代星系需要形成於宇宙年齡8億年之前。

 

圖：CTIO天文臺工作人員安裝項目為暗能量相機專門定製的窄帶濾波片（產權歸屬科大）。圖片來源：美國國家光學天文臺。

 

LAGER項目的組織者（Organizer）是我校王俊賢教授。論文第一作者為上海天文臺鄭振亞研究員（中國科大2012屆博士畢業生），同時也是LAGER項目的共同組織者。項目其他核心成員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胡維達為論文合作者。

 

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，中科院中科院人才計劃C，中智天文合作研究等項目的支持。

 

論文連結：

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

 

美國國家光學天文臺新聞報導連結：

https://www.noao.edu/news/2017/pr1703.php

 

（中科院星系與宇宙學重點實驗室、物理學院、科研部） 

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