探索极高红移，重返宇宙黎明

2024-08-22 10:03世界奇闻

Abell 2744| 两个位于星系团Abell 2744外围区域的遥远星系，并不在星系团内部，而是远在数十亿光年之外。星系1和星系2分别存在于大爆炸后4.5亿年和3.5亿年。

宇宙大爆炸后的数亿年内，第一代恒星与星系开始形成，宇宙进入再电离时期。近年来，科学界普遍认为，再电离时期结束于红移6附近，并且由年轻的大质量恒星主导。这些恒星产生的大量莱曼连续谱光子逃逸出星际介质，进而电离星系际介质。

然而，争议仍然存在——究竟是暗弱的小质量星系，还是明亮的大质量星系，抑或是两者共同作用提供了大部分的再电离光子？再电离光子的产生效率与逃逸率是理解再电离物理机制的关键所在。有研究表明，星系质量与这二者密切相关，且光子产生效率与红移正相关。

星系团MACS 0647 | MACS 0647的引力透镜作用，弯曲并放大了更遥远的MACS 0647-JD系统的光，使这个系统出现在图像上三个不同位置。

韦布空间望远镜（James Webb SpaceTelescope, JWST）以前所未有的探测能力带领着宇宙再电离研究进入了新时代。JWST近红外深场测光巡天可以测量具有统计学意义的再电离时期星系静止系光学特征，有利于更好地限制星系星族合成，并得到更准确的电离光子产生效率。同时，JWST也将极暗星系光谱巡天样本量扩大到了新的高度。新研究结果支持暗弱星系提供了主要再电离光子的结论，电离光子产生效率远高于前JWST时代的观测结果，且电离光子产生效率与星系恒星形成爆发历史之间存在清晰的关联。

原星系团| 这七个星系被确认位于红移7.9处，距大爆炸6.5亿年。天文学家利用NIRSpec精确测量了它们的距离，确定这些星系是演化中星团的一部分。

分别存在于大爆炸后4.5亿年和3.5亿年。极高红移星系，特别是第一代星系的搜寻是JWST最重要的任务之一。诸多JWST巡天观测结果显示，红移高于9的星系，特别是明亮星系的密度远高于之前的低红移观测外推与理论预测。目前，有一些理论针对这一现象提出了解释。例如，高红移处有更高的恒星形成效率、恒星形成历史随机作用，高红移尘埃消光系数更低，活动星系核和低金属丰度恒星贡献了更高的星系亮度以及非标准宇宙学模型效应等。为了进一步理解极早期星系恒星形成区物理条件，以及活动星系核吸积对星系紫外辐射潜在的贡献，推动更大样本与更高红移的光谱证认观测是关键。

JADES | JADES巡天中，天文学家利用NIRCam进行观测，并使用NIRSpec测量了每个星系的红移，揭示了四个高红移早期星系。

针对第一代恒星的研究也取得了突破性进展。近期的宇宙学模拟显示，第一代恒星有两种形成途径，一是形成于红移高于10的暗物质晕中，二是原初气体或极低金属丰度气体被周围星系吸积。第二种形成途径值得重点关注，因为这意味着第一代恒星甚至可以在红移6附近形成，从而大大增加了它们被直接观测的概率。

经光谱证认的第一代恒星存在星系RXJ2129-z8HeII JWST+HST光谱+测光观测分析及发射线分析示意图。上图：蓝色线表示JWST NIRSpec一维光谱，红色点和绿色菱形分别表示JWST NIRCam和HST WFC3+ACS宽波段测光数据。进而进行全波段光谱分析、发射线高斯拟合来预测发射线流量及流量上限。拟合得到的连续谱模型及发射线用红色和橘色线表示。嵌入小图展示了第一代恒星特征谱线He II 1640拟合结果。下图：扣除连续谱后的光谱流量/1σ流量误差比示意图。灰色阴影区域标记了红移z~8附近易受到中性星系际介质抗衰减影响的波长范围。版权／王鑫

但是，即便利用JWST的强大探测能力，直接观测第一代恒星也是一大挑战，最有效的观测途径是利用超大质量星系团引力透镜放大效应。2022年，天文学家利用NIRSpec狭缝光谱数据，发现RXJ2129星系团背景星系RXJ2129-z8HeII存在第一代恒星特征谱线HeII 1640，这是国际上首次发现的经过光谱证认的第一代恒星信号。NIRSpec高分辨率积分场光谱后续观测对于确定第一代恒星在宿主星系中的空间分布，更好限制宿主星系星族合成，研究第一代恒星特征谱线流量比的三维空间分布至关重要，也可以进一步验证模拟工作给出的第一代恒星及其宿主星系的性质，诸如恒星形成活动、金属丰度稀释、气体运动扰动等方面物理过程的空间分布结果。

RXJ2129 | 图中为引力透镜星系团RXJ2129天区的观测图像，其中包含了同一背景星系的三个像，它们在大小、年龄、位置上均不同。根据分析，这是一个Ia型超新星，不同时间的图像能够展示它的演化历程。

Planck团队2020年（PlanckCollaborationVI2020）公布了宇宙最早期的细节观测图像。结果显示，大爆炸发生38万年后，宇宙物质密度即呈现各向异性分布，小振幅密度扰动已经发生。随着扰动持续增长，高密度区开始塌缩形成第一代引力束缚源。初代暗物质晕开始形成子结构，暗示着大量大质量星系开始在高密度区，即原初星系团开始形成。近期，N体模拟与半解析模型显示红移10附近的原初星系团会贡献50%的恒星形成率密度。因此，计算红移高于6的原初星系团数密度，能够为再电离过程的研究提供新视角。

WST高灵敏度及大波段覆盖范围，极大提、升了高红移处暗弱天体光谱证认能力。例如，天文学家使用NIRSpec光谱，利用前景星系团放大效应证认了一个红移高达7.88的原初星系团。它在60kpc的直径范围内，包含了7个经过光谱证认的星系，其密度是宇宙随机场的20倍，所在暗物质晕质量大于4×10太阳质量，视线方向速度弥散约为1100±200千米每秒，经预测演化到z=0的暗物质晕质量约为2×10太阳质量。这一星系团是目前经光谱证认的红移最高的原初星系团之一，证明了JWST在研究宇宙早期暗物质晕聚集与星系形成关联性领域拥有强大的能力。

作者简介/

王鑫，中国科学院大学天文与空间科学学院副教授，国家级海外引进人才；JWST大师班成员，哈勃望远镜两项中型观测项目首席科学家；研究方向为空间望远镜数据处理算法开发、第一代恒星搜寻与宇宙再电离、星系形成与化学演化、引力透镜与暗物质空间分布。

来源：中国国家天文

编辑：wnkwef

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