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我院天文学系领衔发现宇宙最遥远的原初星系团 [2020-01-27]

 近日,由我院天(tian)(tian)文学系(xi)发(fa)起的(de)(de),中(zhong)国(guo)、美国(guo)、智利(li)三国(guo)天(tian)(tian)文学家参加的(de)(de)“宇(yu)宙再(zai)(zai)电离时期的(de)(de)莱曼阿(a)尔法星系(xi)”(英(ying)文缩(suo)写LAGER)研究(jiu)项目(mu)在宇(yu)宙黑暗时期星系(xi)观测(ce)研究(jiu)领域再(zai)(zai)获突破性(xing)进展。该项目(mu)使用(yong)安装(zhuang)于(yu)(yu)智利(li)CTIO天(tian)(tian)文台4米口径望(wang)远(yuan)镜的(de)(de)超大(da)视场暗能量(liang)相机,通过专门(men)定(ding)制的(de)(de)窄(zhai)带(dai)滤波片,系(xi)统搜寻(xun)宇(yu)宙黑暗时期莱曼阿(a)尔法发(fa)射(she)线星系(xi)候选(xuan)者,他们通过分析(xi)测(ce)光选(xuan)星系(xi)样本,发(fa)现了(le)一个红(hong)移~6.9的(de)(de)原初星系(xi)团候选(xuan)者LAGER-z7OD1,并利(li)用(yong)国(guo)际(ji)大(da)型望(wang)远(yuan)镜得到(dao)了(le)光谱证认。LAGER-z7OD1是(shi)宇(yu)宙中(zhong)已知(zhi)最(zui)遥远(yuan)的(de)(de)原初星系(xi)团。国(guo)际(ji)知(zhi)名天(tian)(tian)文期刊《自然·天(tian)(tian)文》(Nature Astronomy)于(yu)(yu)2021年1月26日凌晨以“A Lyman-α protocluster at redshift 6.9”为题发(fa)表了(le)这一重要研究(jiu)结果(guo)。

在宇(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)大(da)爆炸(zha)后随着(zhe)宇(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)逐(zhu)渐(jian)冷却(que),质子(zi)和电(dian)子(zi)结合(he)形(xing)成(cheng)中(zhong)性(xing)氢,由(you)于中(zhong)性(xing)氢对紫(zi)外光子(zi)的吸(xi)收,宇(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)进入黑暗时期。随着(zhe)宇(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)中(zhong)第(di)一(yi)代(dai)恒星(xing)(xing)和星(xing)(xing)系开始形(xing)成(cheng),它们(men)发出(chu)的紫(zi)外光子(zi)开始电(dian)离(li)(li)周围(wei)的中(zhong)性(xing)氢,形(xing)成(cheng)一(yi)个(ge)个(ge)电(dian)离(li)(li)泡(pao),随着(zhe)电(dian)离(li)(li)泡(pao)的逐(zhu)渐(jian)扩大(da)并合(he),整个(ge)宇(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)逐(zhu)渐(jian)重新变得透明,从而结束黑暗时期,这段宇(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)早期的整体相变过程被称(cheng)之为再(zai)电(dian)离(li)(li)。观测宇(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)再(zai)电(dian)离(li)(li)的过程和这一(yi)时期的星(xing)(xing)系是天体物理前(qian)沿一(yi)个(ge)极具挑战性(xing)的课题(ti)。

左图:原初星系团(tuan)LAGER-z7OD1中Lyα发(fa)射(she)线星系的空(kong)间分(fen)布(bu)。右图:COSMOS天区(qu)中所(suo)有红移~7的(de)(de)Lyα发射线(xian)星系的(de)(de)空(kong)间(jian)分布,图(tu)(tu)中的(de)(de)虚(xu)线(xian)方(fang)框表示着左图(tu)(tu)原初星系团所在的(de)(de)位置。

 天(tian)文学家预期(qi)宇宙再电(dian)离(li)时期(qi)的(de)(de)星(xing)系(xi)是强莱(lai)曼阿(a)尔法(Lyα)发射线天(tian)体,可(ke)以用窄波段成像法高效(xiao)探测,同时Lyα光(guang)子会(hui)被星(xing)系(xi)际弥散的(de)(de)中性氢原子散射,因此观测到的(de)(de)发射线强度和轮廓依赖于再电(dian)离(li)程度,Lyα发射线星(xing)系(xi)是探测宇宙再电(dian)离(li)和宇宙早(zao)期(qi)星(xing)系(xi)的(de)(de)强有力手段。LAGER项(xiang)目组致力于搜(sou)寻(xun)红移~7的(de)莱曼阿尔(er)法(fa)发射线(xian)星(xing)系(xi)(xi),他们通过(guo)分析窄(zhai)波段(duan)选(xuan)的(de)星(xing)系(xi)(xi)候选(xuan)者(zhe)空间分布,发现了(le)一个(ge)由21个(ge)Lyα发射线(xian)星(xing)系(xi)(xi)组成的(de)过(guo)密区域LAGER-z7OD1,星(xing)系(xi)(xi)数密度是(shi)平均值的(de)6.1倍(bei)。项(xiang)目组利(li)用智利(li)麦哲伦望远镜针对(dui)这个(ge)区域进行光谱(pu)证认,从而确认这些星(xing)系(xi)(xi)组成了(le)一个(ge)迄(qi)今有光谱(pu)证认的(de)最遥远的(de)原初(chu)星(xing)系(xi)(xi)团,它所处的(de)宇宙(zhou)年龄(ling)仅有7.7亿年(相当于(yu)宇宙(zhou)年龄(ling)的(de)~6%),最终塌(ta)缩形成的星系团质量估计为3.7×1015太阳质(zhi)量(liang)。

 原(yuan)初星系(xi)团(tuan)的(de)高星系(xi)空(kong)间(jian)密度(du)能够提供更多(duo)的(de)电(dian)(dian)离(li)(li)光子,其中的(de)星系(xi)际介质可能会率先完成(cheng)再(zai)(zai)电(dian)(dian)离(li)(li)。通过估(gu)计LAGER-z7OD1成(cheng)员星系(xi)产生的(de)电(dian)(dian)离(li)(li)泡(pao)(pao)大小,项(xiang)目(mu)组(zu)发现它(ta)们的(de)电(dian)(dian)离(li)(li)泡(pao)(pao)总体(ti)积与原(yuan)初星系(xi)团(tuan)的(de)体(ti)积相当(dang),也就是(shi)这(zhei)些电(dian)(dian)离(li)(li)泡(pao)(pao)刚完成(cheng)了并合(he)成(cheng)为巨电(dian)(dian)离(li)(li)泡(pao)(pao)。因此(ci),这(zhei)项(xiang)发现不仅(jin)仅(jin)是(shi)创(chuang)造(zao)了一个红(hong)移记录,同时(shi)为宇宙再(zai)(zai)电(dian)(dian)离(li)(li)过程和再(zai)(zai)电(dian)(dian)离(li)(li)泡(pao)(pao)的(de)后续深入研究提供了绝佳的(de)观测(ce)目(mu)标。

获光谱(pu)证认的成员星系(xi)及它们产生的电(dian)离泡的三(san)维空(kong)间分(fen)布(动图(tu))

论文第(di)一作者(zhe)为(wei)中国(guo)科学(xue)技术大学(xue)博士研究生(sheng)胡维达(da),天文系王俊贤教(jiao)授为(wei)通讯作者(zhe)。项(xiang)(xiang)目(mu)国(guo)内核心成员还(hai)包括我校(xiao)(xiao)校(xiao)(xiao)友上海天文台(tai)郑振亚研究员。该(gai)研究得到了国(guo)家高层次人才特殊支持(chi)计划、国(guo)家自然科学(xue)基金委、中科院(yuan)等项(xiang)(xiang)目(mu)的支持(chi)。

论文链接:http://www.nature.com/articles/s41550-020-01291-y


(物理学(xue)院、科研(yan)部)


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