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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(ri),由我院天(tian)文学系(xi)(xi)发(fa)(fa)起的(de)(de),中(zhong)国(guo)(guo)、美国(guo)(guo)、智利三(san)国(guo)(guo)天(tian)文学家(jia)参加(jia)的(de)(de)“宇(yu)宙再电离时(shi)(shi)期(qi)的(de)(de)莱曼阿尔法星(xing)(xing)(xing)系(xi)(xi)”(英(ying)文缩写LAGER)研(yan)究(jiu)项目在宇(yu)宙黑(hei)暗(an)时(shi)(shi)期(qi)星(xing)(xing)(xing)系(xi)(xi)观测研(yan)究(jiu)领(ling)域(yu)再获(huo)突破性进展。该(gai)项目使用安(an)装于(yu)(yu)智利CTIO天(tian)文台4米口径望远(yuan)镜(jing)的(de)(de)超大视场(chang)暗(an)能(neng)量相机(ji),通过(guo)(guo)专(zhuan)门定制的(de)(de)窄带滤波(bo)片,系(xi)(xi)统搜寻(xun)宇(yu)宙黑(hei)暗(an)时(shi)(shi)期(qi)莱曼阿尔法发(fa)(fa)射线星(xing)(xing)(xing)系(xi)(xi)候(hou)选者,他们通过(guo)(guo)分(fen)析测光选星(xing)(xing)(xing)系(xi)(xi)样本,发(fa)(fa)现(xian)了(le)一个红移~6.9的(de)(de)原初(chu)星(xing)(xing)(xing)系(xi)(xi)团候(hou)选者LAGER-z7OD1,并利用国(guo)(guo)际(ji)大型望远(yuan)镜(jing)得到了(le)光谱证认(ren)。LAGER-z7OD1是宇(yu)宙中(zhong)已知(zhi)最遥(yao)远(yuan)的(de)(de)原初(chu)星(xing)(xing)(xing)系(xi)(xi)团。国(guo)(guo)际(ji)知(zhi)名天(tian)文期(qi)刊(kan)《自然·天(tian)文》(Nature Astronomy)于(yu)(yu)2021年(nian)1月26日(ri)凌晨(chen)以“A Lyman-α protocluster at redshift 6.9”为题(ti)发(fa)(fa)表了(le)这(zhei)一重要研(yan)究(jiu)结果。

在宇(yu)宙大爆炸后随着(zhe)(zhe)宇(yu)宙逐(zhu)(zhu)(zhu)渐(jian)冷却,质子和(he)(he)电子结合形成中(zhong)性氢(qing),由于中(zhong)性氢(qing)对紫外(wai)光子的(de)吸(xi)收,宇(yu)宙进入黑暗时期。随着(zhe)(zhe)宇(yu)宙中(zhong)第(di)一(yi)代恒星(xing)(xing)和(he)(he)星(xing)(xing)系(xi)开(kai)始(shi)形成,它们(men)发出(chu)的(de)紫外(wai)光子开(kai)始(shi)电离(li)周围的(de)中(zhong)性氢(qing),形成一(yi)个(ge)个(ge)电离(li)泡,随着(zhe)(zhe)电离(li)泡的(de)逐(zhu)(zhu)(zhu)渐(jian)扩大并(bing)合,整个(ge)宇(yu)宙逐(zhu)(zhu)(zhu)渐(jian)重新变(bian)得透明,从而结束(shu)黑暗时期,这(zhei)段宇(yu)宙早期的(de)整体相变(bian)过程(cheng)(cheng)被称之为再(zai)电离(li)。观测宇(yu)宙再(zai)电离(li)的(de)过程(cheng)(cheng)和(he)(he)这(zhei)一(yi)时期的(de)星(xing)(xing)系(xi)是天体物理前沿一(yi)个(ge)极具挑战(zhan)性的(de)课题。

左图:原初星(xing)系团LAGER-z7OD1中(zhong)Lyα发(fa)射线星(xing)系的空间(jian)分布。右图:COSMOS天区中(zhong)所(suo)有红移~7的Lyα发射(she)线星(xing)系的空间分(fen)布,图中(zhong)的虚线方框(kuang)表(biao)示(shi)着(zhe)左图原初星(xing)系团(tuan)所在的位置。

 天文(wen)学家(jia)预期宇宙(zhou)再电(dian)离时(shi)期的星(xing)(xing)系是(shi)强(qiang)莱曼阿尔法(Lyα)发(fa)射(she)(she)(she)线(xian)天体,可以(yi)用窄波段成像法高效(xiao)探测,同时(shi)Lyα光子会被星(xing)(xing)系际弥散的中性(xing)氢(qing)原子散射(she)(she)(she),因(yin)此(ci)观测到的发(fa)射(she)(she)(she)线(xian)强(qiang)度(du)(du)和轮(lun)廓依(yi)赖于(yu)再电(dian)离程度(du)(du),Lyα发(fa)射(she)(she)(she)线(xian)星(xing)(xing)系是(shi)探测宇宙(zhou)再电(dian)离和宇宙(zhou)早期星(xing)(xing)系的强(qiang)有力手段。LAGER项目组致力于(yu)搜寻红移(yi)~7的(de)(de)(de)莱曼(man)阿(a)尔法发射线星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi),他们(men)通过(guo)分析窄波段选的(de)(de)(de)星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)候选者空间分布,发现了一个(ge)(ge)(ge)由21个(ge)(ge)(ge)Lyα发射线星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)组(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)过(guo)密(mi)区(qu)域LAGER-z7OD1,星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)数密(mi)度是平均(jun)值(zhi)的(de)(de)(de)6.1倍(bei)。项目(mu)组(zu)利用(yong)智利麦(mai)哲伦望远镜(jing)针对这个(ge)(ge)(ge)区(qu)域进行光(guang)谱证认(ren),从(cong)而确认(ren)这些星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)组(zu)成(cheng)了一个(ge)(ge)(ge)迄今有光(guang)谱证认(ren)的(de)(de)(de)最(zui)遥远的(de)(de)(de)原初星(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)团,它所(suo)处的(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)年龄(ling)仅有7.7亿年(相当于(yu)宇(yu)宙(zhou)年龄(ling)的(de)(de)(de)~6%),最终(zhong)塌(ta)缩(suo)形(xing)成(cheng)的(de)星系团(tuan)质量估计(ji)为3.7×1015太阳质量。

 原初星系(xi)团的(de)高星系(xi)空间密度能够提(ti)供(gong)(gong)更多的(de)电(dian)(dian)离(li)光(guang)子(zi),其中(zhong)的(de)星系(xi)际介质可能会率先完成(cheng)再(zai)电(dian)(dian)离(li)。通(tong)过估计LAGER-z7OD1成(cheng)员星系(xi)产生的(de)电(dian)(dian)离(li)泡大小,项目(mu)组(zu)发现它们的(de)电(dian)(dian)离(li)泡总(zong)体积(ji)与(yu)原初星系(xi)团的(de)体积(ji)相当,也就是(shi)这些电(dian)(dian)离(li)泡刚完成(cheng)了并合成(cheng)为巨电(dian)(dian)离(li)泡。因此,这项发现不仅仅是(shi)创造了一个(ge)红移记录,同时(shi)为宇宙再(zai)电(dian)(dian)离(li)过程和再(zai)电(dian)(dian)离(li)泡的(de)后续深(shen)入研究提(ti)供(gong)(gong)了绝佳的(de)观测目(mu)标。

获光谱证(zheng)认的成员星系及(ji)它们(men)产生的电(dian)离(li)泡的三(san)维空(kong)间(jian)分布(动图(tu))

论文第一作(zuo)(zuo)者(zhe)(zhe)为(wei)中(zhong)国科(ke)学技术大学博士研究生(sheng)胡(hu)维达,天文系王俊贤(xian)教授(shou)为(wei)通讯(xun)作(zuo)(zuo)者(zhe)(zhe)。项目(mu)国内(nei)核心成员还包括我校校友上海天文台郑振亚研究员。该(gai)研究得到(dao)了国家(jia)高(gao)层次(ci)人才特殊支(zhi)持计划、国家(jia)自然科(ke)学基金委、中(zhong)科(ke)院等项目(mu)的支(zhi)持。

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


(物理学院、科研部)


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