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北大学者在探索宇宙最遥远天体方面取得进展
2020-12-25 国家自然科学基金委员会

  在国家自然科学基金项目(批准号:11721303、11890693、11991052)等资助下,北京大学科维理天文与天体物理研究所江林华研究员领衔的国际团队在探索宇宙最遥远天体方面取得进展,探测到一个134亿光年外星系的光谱,证实了该星系为目前人类发现的最遥远天体,同时还捕捉到来自该星系疑似伽马射线暴的信号。该成果分别以“观测证明GN-z11为红移10.957的一个明亮星系(Evidence for GN-z11 as a luminous galaxy at redshift 10.957)”和“一个可能来自红移11星系的紫外爆发(A possible bright ultraviolet flash from a galaxy at redshift ≈ 11)”为题,于2020年12月14日在线发表在《自然-天文》(Nature Astronomy)期刊上。

  第一代恒星形成于宇宙大爆炸后约1.5亿年,而第一代星系在随后的1亿年左右形成,同时最早的大质量黑洞种子也开始诞生和成长。这些天体发出的电离光子重新“点亮”宇宙,即宇宙再电离。该电离过程持续数亿年,是宇宙早期演化的最重要时期之一。研究宇宙再电离和探测早期天体发出的“第一缕曙光”是下一代大型光学红外望远镜的主要科学目标之一。但就目前能使用的望远镜而言,由于这些遥远天体发出的光抵达地球时信号极其微弱,探测它们更细致的光谱非常困难。

  该团队所研究的天体是一个称为GN-z11的星系,哈勃太空望远镜已有数据显示,GN-z11的宇宙学红移可能为11左右,或至少是10以上。一般认为,在下一代红外望远镜运行之前,很难准确测量该星系的红移。该团队利用目前国际上最先进的地面光学红外望远镜之一,即位于美国夏威夷的十米口径凯克(Keck)望远镜,在近红外波段对GN-z11进行了深度光谱观测,并基于光谱分析出该星系的准确红移为10.957,证实其为134亿光年之外的星系(现在的宇宙年龄为138亿年),是目前人类通过光谱证实的最遥远天体。该星系中已有丰富的金属成分(指非氢和氦元素),这意味着它还不是宇宙中第一代星系。

  该团队在观测GN-z11的光谱时,还探测到来自该星系方向的一次爆发。该爆发表现为明亮的近红外光谱,持续时间短于三分钟。光谱包含明显的大气汲取成分,表明爆发信号来自地球大气层外。经详细分析,基本排除该爆发信号来自地球上人造物体和太阳系天体等来源。进一步理论计算表明,该光谱可能来自GN-z11的一次伽马射线暴,为其伴随的(静止波长)紫外辐射。若该说明成立,那么这是目前人类已知的最遥远天体爆发。

  上述研究成果对理解宇宙早期星系和恒星形成有重要意义,为研究宇宙极早期天体打开了一扇窗口,同时也表明现有大型天文设备有能力探测到部分早期星系的光谱。国际下一代甚大红外天文观测设备有望探测更多如GN-z11的星系及其前身,包括第一代星系,而下一代伽马射线空间巡天项目将有望直接探测到来自宇宙早期的伽马射线暴。

  图a)和c)分别是二维和一维光谱,图b)和d)分别是相应的平滑后光谱。图中显示,二次电离碳位于静止波长191纳米左右的发射线,已经移至2283纳米左右,表明其红移为10.957,即距离在134亿光年外。

  图1星系GN-z11的部分光谱

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