遙遠的星系揭開宇宙黑暗時代末期「面紗」

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

科技大學王俊賢教授和中科院上海天文台鄭振亞研究員及其合作者在宇宙再電離研究領域獲突破性進展，他們觀測獲得了一個宇宙早期（大爆炸后約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%。相關研究成果日前發表於《天體物理快報》。

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。

什麼是宇宙黑暗時期

宇宙的黑暗時期指的是從宇宙大爆炸結束的等離子體複合（recombination）到第一代恆星開始形成的時期。

宇宙大爆炸之後大概30萬年，整個宇宙相當均勻，其中沒有恆星，除了氫、氦以及少量的大爆炸核合成時期產生的輕核如氘、3 He 、鋰外也沒有其它元素, 因此稱之為黑暗時期。

那什麼又是黑暗時期的再電離

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后大約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。

關於萊曼阿爾法星系的研究

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。

「宇宙再電離時期的萊曼阿爾法星系」（英文縮寫 LAGER），是科學技術大學王俊賢教授發起組織的一個、美國、智利三國天文學家參加的研究項目，上海天文台鄭振亞研究員是該項目的共同組織者。該項目使用智利 CTIO 天文台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）。

8億年之前的星系

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。

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 教授等人。