北京天文馆科研人员探索宇宙早期Lyman-α星系取得重要进展

发布时间：2026年09月18日

人们对宇宙深处充满着好奇，探索宇宙早期的天体，是当下观测天文学的前沿研究焦点之一，亦是当前国际上充满了新发现新谜团的科普热点。近日，北京天文馆助理研究员宁远航博士与清华大学蔡峥副教授、北京大学江林华教授等合作，借助地面的麦哲伦望远镜（M2FS光谱仪）与詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST/NIRCam近红外相机）的联合观测，进一步分析了宇宙再电离末期明亮Lyman-α（Lyα）发射体星系的多方面性质。研究揭示，这些Lyα发射体是极端的年轻矮星系系统，剧烈的星暴活动和极高的Lyα光子逃逸率共同导致了其明亮的Lyα辐射。相关成果已发表于天文学国际顶级期刊《天体物理学期刊快讯》（The Astrophysical Journal Letters）。

宇宙再电离是宇宙演化史中最重要的物态转变阶段之一，该过程的末期对应着宇宙学红移6左右，即距现在大约130亿年（如果将宇宙年龄归一化到百岁的人类寿命，那这个时期就是幼儿阶段）。对高红移星系的研究，就像在同时阅读星系演化的“传记”和宇宙大尺度结构的“编年史”。此项研究详细分析了红移6左右的14个明亮的Lyα发射体星系，该样本通过麦哲伦望远镜的M2FS光谱仪证认。此前基于传统设备观测的测光数据存在显著简并，即星云发射线与Balmer断裂在宽带颜色上难以区分；为突破这一瓶颈，该研究特别利用了JWST/NIRCam的F410M中波段图像，躲开了强发射线的污染，有效限制了恒星连续谱，并结合一系列宽波段数据进行了可靠的能谱分布模拟分析。

 图 1 本研究的样本中两个源在JWST/NIRCam一系列波段的图像，其中F410M中带图像有效限制了星系的恒星连续谱。

研究发现，这些星系是具有剧烈星暴活动的年轻矮星系，其中有一半的恒星质量不足一亿倍太阳质量，其年龄也不到一千万年，且内部尘埃含量极低。它们的Lyα光子逃逸率普遍很高，其中位数更是高达40%，远超该红移处其他的星系，并且Lyα逃逸率与紫外斜率呈强烈反相关。通过分析Lyα辐射与星系的空间偏移，研究进一步指出Lyα辐射转移结果主要受内部尘埃影响。这些发现也表明，这类星系是再电离末期高效的电离引擎。

图 2 产星速率vs.恒星质量关系图：金色图标代表该工作使用的样本，其他类型图标来自前人工作，洋红虚线代表高红移星暴星系的幂律关系；结果显示该样本几乎都具有星暴活动，其中近半数的星暴活动更加剧烈。

北京天文馆助理研究员宁远航博士为该研究工作的第一/通讯作者，清华大学蔡峥副教授为共同通讯作者，合作者还包括北京大学江林华教授，以及来自曼彻斯特大学、厦门大学、大理大学、与上海天文台的国内外研究人员。该研究工作得到了国家自然科学基金（12403014、12525303）与国家重点研发计划（2023YFA1605600）等的支持。论文链接：https://doi.org/10.3847/2041-8213/aea091