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宇宙黑暗時(shí)代再電離研究獲突破

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宇宙黑暗時(shí)代再電離研究獲突破

摘要: 　　中國科學(xué)院上海天文臺(tái)學(xué)習(xí)員鄭振亞及其合作者在宇宙再電離學(xué)習(xí)領(lǐng)域獲突破性進(jìn)展，他們觀測(cè)獲得了一個(gè)宇宙早期（大爆炸后約8億年，約為宇宙當(dāng)前年齡6%時(shí)）的星系樣本，并由此發(fā)現(xiàn)在該宇宙年齡處，宇宙星系際彌散 ...

　　中國科學(xué)院上海天文臺(tái)學(xué)習(xí)員鄭振亞及其合作者在宇宙再電離學(xué)習(xí)領(lǐng)域獲突破性進(jìn)展，他們觀測(cè)獲得了一個(gè)宇宙早期（大爆炸后約8億年，約為宇宙當(dāng)前年齡6%時(shí)）的星系樣本，并由此發(fā)現(xiàn)在該宇宙年齡處，宇宙星系際彌散介質(zhì)中氫的電離比例為約50%。6月21日，這一學(xué)習(xí)發(fā)表在國際天體物理期刊天體物理快報(bào)上（Zheng et al. 2017， ApJL， 842， 22），鄭振亞為論文第一作者。美國國家光學(xué)天文臺(tái)以遙遠(yuǎn)的星系揭開宇宙黑暗時(shí)代末期的面紗為題專門撰文報(bào)道了此項(xiàng)學(xué)習(xí)突破。學(xué)習(xí)同時(shí)被美國天文學(xué)會(huì)AAS Nova Journals Digest欄目推薦介紹。
　　宇宙大爆炸之后大概30萬年，整個(gè)宇宙處于黑暗時(shí)代。在那段時(shí)期，宇宙中沒有恒星，沒有星系，整個(gè)宇宙被中性氫所充滿。在這個(gè)黑暗時(shí)代末期，重力作用下宇宙第一代恒星和星系開始形成，它們發(fā)出的紫外光輻射電離了周圍的中性氫，使得整個(gè)宇宙開始明亮起來。
　　這段整個(gè)宇宙的整體相變過程被稱之為再電離。雖然天文學(xué)家們知道其發(fā)生于宇宙大爆炸后大約3億年至10億年之間，并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(xì)致過程以及第一代星系何時(shí)形成依然是天體物理前沿一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題。
　　宇宙早期天體所輻射的萊曼阿爾法(Lyα)發(fā)射線光子會(huì)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(huán)境開始電離，大霧變?nèi)�，完全電離則大霧消失。對(duì)萊曼阿爾法發(fā)射線星系的觀測(cè)因此是探測(cè)宇宙再電離的關(guān)鍵手段。
　　“宇宙再電離時(shí)期的萊曼阿爾法星系”（英文縮寫LAGER），是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授王俊賢發(fā)起組織的一個(gè)中國、美國、智利三國天文學(xué)家參加的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，鄭振亞是該項(xiàng)目的共同組織者。該項(xiàng)目使用智利CTIO天文臺(tái)4米口徑望遠(yuǎn)鏡上的超大視場(chǎng)暗能量相機(jī)，通過專門定制的窄帶濾波片，系統(tǒng)搜尋宇宙黑暗時(shí)代萊曼阿爾法發(fā)射線星系（紅移~7.0）。
　　LAGER項(xiàng)目的第一篇學(xué)習(xí)論文即取得重要突破。宇宙年齡8億年處是宇宙再電離學(xué)習(xí)的最前沿，由于觀測(cè)上的挑戰(zhàn)，國際上對(duì)紅移7.0及更遙遠(yuǎn)的萊曼阿爾法星系的類似搜尋工作，在過去10年間進(jìn)展十分緩慢。LAGER在第一個(gè)目標(biāo)天區(qū)（計(jì)劃4個(gè)）即探測(cè)到了宇宙年齡在8億年處23例萊曼阿爾法發(fā)射線星系。這批樣本也是該紅移處最大的星系樣本。分析發(fā)現(xiàn)，萊曼阿爾法星系的數(shù)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于更早期，在宇宙年齡8億年處仍然未完成，大概處于一半電離一半電中性的狀態(tài)，并且是非均勻的。宇宙年齡8億年處星系數(shù)目的降低來自于中性氫對(duì)星系萊曼阿爾法發(fā)射線輻射的抑制。
　　這個(gè)結(jié)果意味著，宇宙在它當(dāng)前年齡不到6%處，這場(chǎng)大霧（宇宙整體的中性氫環(huán)境）已經(jīng)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于宇宙年齡8億年之前。
　　項(xiàng)目其他核心成員還包括美國亞利桑那州立大學(xué)教授Sangeeta Malhotra、James Rhoads和智利天主教大學(xué)教授Leopoldo Infante等人。
　　該項(xiàng)學(xué)習(xí)得到了中科院百人計(jì)劃C、國家高層次人才特殊支持計(jì)劃、自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體、中智天文合作學(xué)習(xí)等項(xiàng)目的支持。
　　美國國家光學(xué)天文臺(tái)新聞報(bào)道鏈接



　　觀測(cè)獲得的23個(gè)宇宙早期z~7.0星系的分布（白色方框）及其中兩個(gè)最亮源的放大圖。



　　CTIO天文臺(tái)工作人員安裝項(xiàng)目為暗能量相機(jī)專門定制的窄帶濾波片。圖片來源：美國國家光學(xué)天文臺(tái)。宇宙黑暗時(shí)代再電離研究獲突破  |  責(zé)任編輯：蟲子
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