beat365科維理天文與天體物理研究所江林華領銜的國際團隊探測到一個134億光年外星系的光譜，證實了該星系為人類發現的最遙遠天體。團隊同時還捕捉到來自該星系持續數分鐘的爆發信号，疑似與星系中一個伽馬射線暴有關。該成果對理解宇宙早期星系和恒星形成有重要意義，為研究宇宙極早期天體打開了一扇窗口。目前該成果的兩篇論文均發表在2020年12月14日的《自然-天文》（Nature Astronomy）雜志上。
圖1. 藝術想象圖 - 北大學者領銜團隊證實134億光年之外存在的最遙遠星系及其中疑似伽馬射線暴（圖片制作：北京天文館喻京川）
根據理論和數值模拟估算，宇宙大爆炸後38萬年至約1.5億年間，宇宙經曆了所謂的“黑暗時代”。在這黑暗時代末期，宇宙大尺度結構在暗物質作用下開始顯現，帶來了第一代恒星和星系的誕生。第一代恒星形成于大爆炸後約1.5億年，而第一代星系在随後的1億年左右形成，同時最早的大質量黑洞種子也開始誕生和成長。這些天體發出的電離光子重新“點亮”宇宙，即宇宙再電離。該電離過程持續數億年，是宇宙早期演化的最重要時期之一。研究宇宙再電離和探測早期天體發出的“第一縷曙光”是下一代地面和空間大型光學紅外望遠鏡的主要科學目标之一。但就目前能使用的望遠鏡而言，由于這些遙遠天體發出的光抵達地球時信号極其微弱，探測它們更細緻的光譜非常困難。
江林華領銜的國際團隊所研究的天體是一個稱為GN-z11的星系。哈勃太空望遠鏡已有數據顯示GN-z11的宇宙學紅移可能為11左右，或至少是10以上。一般認為，在下一代紅外望遠鏡運行之前，很難準确測量該星系的紅移。然而，江林華團隊利用目前國際上最先進的地面光學紅外望遠鏡之一，即位于夏威夷山上十米口徑的凱克（Keck）望遠鏡，在近紅外波段對GN-z11進行了深度光譜觀測，并基于光譜分析出該星系的準确紅移為10.957，證實其為134億光年之外的星系（圖2）。這也是目前人類通過光譜證實的最遙遠天體。光譜顯示有三條發射線，由碳和氧的二次電離氣體發出，表明該星系中已有豐富的金屬成分（指非氫和氦元素）。這也意味着該星系不是宇宙中第一代星系，即幾乎沒有金屬成分的星系。
圖2. 星系GN-z11的部分光譜。其中圖a 和c 分别是二維和一維光譜，圖b 和d 分别是相應的平滑後光譜。圖中顯示，二次電離碳位于靜止波長191納米左右的發射線，已經移至2283納米左右，表明其紅移為10.957，即距離在134億光年外。
該研究團隊在觀測GN-z11的光譜時，還探測到來自該星系方向的一次爆發。該爆發表現為一明亮的近紅外光譜，持續時間短于三分鐘（圖3）。這是一次低概率事件。光譜包含明顯的大氣吸收成分，表明爆發信号來自地球大氣層外。經詳細分析，基本排除該爆發信号來自地球上人造物體和太陽系天體等來源。進一步理論計算表明，該光譜可能來自GN-z11的一次伽馬射線暴，為伴随該伽馬射線暴的（靜止坐标下）紫外輻射。遺憾的是，在觀測時段内現有伽馬射線衛星沒有觀測該天區或探測深度不夠。盡管在觀測時段内GN-z11發生伽馬射線暴的概率極低，但仍遠高于來自其它已知信号源的概率。若伽馬射線暴解釋成立，那麼這是目前人類已知的最遙遠天體爆發，表明宇宙大爆炸後4億年左右宇宙就可能大量産生伽馬射線暴。
圖3. 爆發信号光譜。圖a 顯示的是二維光譜，圖b 中藍色顯示的是從圖a 中直接抽取的光譜，圖c 中藍色顯示的是矯正後的光譜
以上成果為研究宇宙極早期天體打開了一扇窗口，也表明現有大型天文設備有能力探測到部分早期星系的光譜。國際下一代甚大紅外天文觀測設備有望深入理解更多如GN-z11這樣的星系及其前身，包括第一代星系，而下一代伽馬射線巡天項目将有望直接探測到來自宇宙早期的伽馬射線暴。
該研究得到國家自然科學基金委、科技部和中科院南美天文中心等資助。
論文題目和在線鍊接：
1. Evidence for GN-z11 as a luminous galaxy at redshift 10.957（DOI: 10.1038/s41550-020-01275-y）
（https://www.nature.com/articles/s41550-020-01275-y）
2. A possible bright ultraviolet flash from a galaxy at redshift ≈ 11（DOI：10.1038/s41550-020-01266-z）
（https://www.nature.com/articles/s41550-020-01266-z）
