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近日，由我校天文系發(fā)起的，中國、美國、智利三國天文學(xué)家參加的“宇宙再電離時期的萊曼阿爾法星系”（英文縮寫LAGER）研究項目在宇宙黑暗時期星系觀測研究領(lǐng)域再獲突破性進展。該項目使用安裝于智利CTIO天文臺4米口徑望遠(yuǎn)鏡的超大視場暗能量相機，通過專門定制的窄帶濾波片，系統(tǒng)搜尋宇宙黑暗時期萊曼阿爾法發(fā)射線星系候選者，他們通過分析測光選星系樣本，發(fā)現(xiàn)了一個紅移～6.9的原初星系團候選者LAGER-z7OD1，并利用國際大型望遠(yuǎn)鏡得到了光譜證認(rèn)。LAGER-z7OD1是宇宙中已知最遙遠(yuǎn)的原初星系團。國際知名天文期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）于2021年1月26日凌晨以“A Lyman-α protocluster at redshift 6.9”為題發(fā)表了這一重要研究結(jié)果。

在宇宙大爆炸后隨著宇宙逐漸冷卻，質(zhì)子和電子結(jié)合形成中性氫，由于中性氫對紫外光子的吸收，宇宙進入黑暗時期。隨著宇宙中第一代恒星和星系開始形成，它們發(fā)出的紫外光子開始電離周圍的中性氫，形成一個個電離泡，隨著電離泡的逐漸擴大并合，整個宇宙逐漸重新變得透明，從而結(jié)束黑暗時期，這段宇宙早期的整體相變過程被稱之為再電離。觀測宇宙再電離的過程和這一時期的星系是天體物理前沿一個極具挑戰(zhàn)性的課題。

左圖：原初星系團LAGER-z7OD1中Lyα發(fā)射線星系的空間分布。右圖：COSMOS天區(qū)中所有紅移~7的Lyα發(fā)射線星系的空間分布，圖中的虛線方框表示著左圖原初星系團所在的位置。

天文學(xué)家預(yù)期宇宙再電離時期的星系是強萊曼阿爾法(Lyα)發(fā)射線天體，可以用窄波段成像法高效探測，同時Lyα光子會被星系際彌散的中性氫原子散射，因此觀測到的發(fā)射線強度和輪廓依賴于再電離程度，Lyα發(fā)射線星系是探測宇宙再電離和宇宙早期星系的強有力手段。LAGER項目組致力于搜尋紅移~7的萊曼阿爾法發(fā)射線星系，他們通過分析窄波段選的星系候選者空間分布，發(fā)現(xiàn)了一個由21個Lyα發(fā)射線星系組成的過密區(qū)域LAGER-z7OD1，星系數(shù)密度是平均值的6.1倍。項目組利用智利麥哲倫望遠(yuǎn)鏡針對這個區(qū)域進行光譜證認(rèn)，從而確認(rèn)這些星系組成了一個迄今有光譜證認(rèn)的最遙遠(yuǎn)的原初星系團，它所處的宇宙年齡僅有7.7億年（相當(dāng)于宇宙年齡的~6%），最終塌縮形成的星系團質(zhì)量估計為3.7×1015太陽質(zhì)量。

原初星系團的高星系空間密度能夠提供更多的電離光子，其中的星系際介質(zhì)可能會率先完成再電離。通過估計LAGER-z7OD1成員星系產(chǎn)生的電離泡大小，項目組發(fā)現(xiàn)它們的電離泡總體積與原初星系團的體積相當(dāng)，也就是這些電離泡剛完成了并合成為巨電離泡。因此，這項發(fā)現(xiàn)不僅僅是創(chuàng)造了一個紅移記錄，同時為宇宙再電離過程和電離泡的后續(xù)深入研究提供了絕佳的觀測目標(biāo)。

16個獲得光譜證認(rèn)的成員星系的三位空間分布（動圖）。

論文第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生胡維達(dá)，天文系王俊賢教授為通訊作者。項目國內(nèi)核心成員還包括我校校友上海天文臺鄭振亞研究員。該研究得到了國家高層次人才特殊支持計劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院等項目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41550-020-01291-y

（物理學(xué)院、科研部）