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      作者:江林華等 來源:《自然—天文》 發布時間:2022/6/17 13:46:32
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      研究人員基本確定宇宙再電離的能量來源

       

      北京大學科維理天文與天體物理研究所和物理學院江林華團隊通過探測來自遙遠類星體(即活躍的超大質量黑洞)發出的紫外電離光子,首次證實類星體對宇宙再電離的貢獻可以忽略不計,表明恒星形成星系提供了宇宙再電離的主要電離光子,從而基本解決宇宙再電離能量來源這一重要天體物理問題。研究成果于2022年6月16日以研究長文的形式在線發表在《自然—天文》(Nature Astronomy)期刊上。

      圖1. 藝術想象圖:發生于約130億年前的宇宙再電離(圖片制作:北京天文館喻京川)。

      宇宙再電離發生于大約130億年前(現在的宇宙年齡約為138億年),也就是宇宙學紅移6以上(圖1)。之前的宇宙相對均勻且一片“黑暗”。在這“黑暗時代”末期,宇宙中最早的恒星、星系和類星體等天體開始形成。它們發出的紫外萊曼連續譜光子,即能量高至足以電離氫原子的光子,逐漸電離星系際介質中的主要氣體成分氫原子。此過程稱為宇宙再電離,是宇宙演化歷史中最重要的階段之一。該過程龐大而復雜,其核心問題之一是電離能量來源問題,即何種天體提供了再電離宇宙的紫外光子。一般認為有兩大主要能量來源,一是具有活躍超大質量黑洞的類星體(或活動星系核),二是擁有大質量恒星的產星星系(或稱為恒星形成星系)。但長期以來,人們對類星體和星系的相對貢獻并不清楚。

      星系對宇宙再電離貢獻的不確定性主要源于人們不清楚高紅移(這兒主要指紅移6以上或宇宙年齡小于10億年)星系的電離光子逃逸率。觀測表明,電離光子從中低紅移星系逃逸到星系際介質的比例平均而言僅為百分之幾。也就是說,盡管星系可能產生大量電離光子,但它們中的絕大部分會被星系本身或者星系周圍的介質吸收(或散射)而無法逃逸到星系際空間。更糟糕的是,我們無法直接探測來自高紅移星系的電離光子,這是因為視線方向上的星系際介質會將這些光子全部吸收。另一方面,高紅移類星體對宇宙再電離的貢獻也很不確定。盡管人們已經發現大量高光度類星體,但由于觀測上的困難,對非常暗弱的類星體知之甚少,而這些暗弱類星體有數量上的優勢,所以有可能提供更多的電離光子。

      由于無法直接探測來自高紅移星系的電離光子,江林華團隊選擇的策略是搜尋非常暗弱的類星體,并測量類星體所產生的電離光子總數,從而直接確定類星體的貢獻。該策略的關鍵,也是難點,是需要探測到比目前已知最暗類星體還暗數十倍的類星體,這遠超現有望遠鏡的光譜證認能力(如果利用常規的光譜證認方法)。為此,團隊基于極深的哈勃空間望遠鏡和大型地面望遠鏡圖像數據,開發了新的方法來搜尋和證認紅移6.0至6.6之間的類星體。該方法主要包括兩大步驟,首先利用多波段圖像數據將類星體候選體從低紅移天體中分離(圖2a),然后利用哈勃高空間分辨率圖像從這些候選體中證認點源狀類星體(圖2b)。該方法避開了傳統的光譜證認,從而使團隊在探測暗弱類星體時達到了前所未有的深度。

      圖2. 高紅移類星體的搜尋和證認及類星體對宇宙再電離的貢獻。(a)利用多波段測光數據選擇類星體候選體;(b)利用哈勃高空間分辨率圖像證認類星體;(c)覆蓋近10個星等范圍的高紅移類星體光度函數;(d)類星體對宇宙再電離的貢獻小于7%(95%置信度)。

      江林華團隊將上述方法應用于所有合適的哈勃望遠鏡深場圖像,但并未在這些深場中發現紅移在6.0與6.6之間的類星體,這為暗弱類星體的空間數密度設置了嚴格上限。利用該上限,并結合已知的較亮類星體樣本,團隊構建了覆蓋10個星等范圍(光度差一萬倍)的類星體光度函數(即數密度隨光度的變化;圖2c),然后計算了類星體產生的電離光子總數。通過比較上述紅移范圍內宇宙再電離所需的光子數,發現類星體的貢獻小于7%(95%置信度;圖2d)。這是首次直接證據表明類星體對宇宙再電離的貢獻幾乎可以忽略不計。英國愛丁堡大學天文研究所前所長,著名天文學家James Dunlop教授高度評價了該工作,認為該工作通過仔細研究徹底解決了一個關于類星體對宇宙再電離貢獻的長期問題。

      以上成果進一步表明高紅移星系(尤其是小質量產星星系)是宇宙再電離所需電離光子的主要貢獻者。這基本確定了宇宙再電離的能量來源,對理解宇宙再電離過程和物理機制有重要意義。該工作還為暗弱類星體的空間密度設置了嚴格上限,對理解宇宙早期超大質量黑洞形成和演化有重要促進作用。未來的中國空間站工程巡天望遠鏡等天文設備有望更深入地探索這些前沿問題。

      該研究得到國家自然科學基金委和中國載人航天等單位的資助。(來源:科學網)

      相關論文信息:https://www.nature.com/articles/s41550-022-01708-w

       
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