“绿豌豆”带来130亿年前宇宙再电离图景

业余天文学家发现的“绿豌豆”星系正在帮助专业天文学家揭开宇宙黑暗时代的奥秘。

近日，瑞士天文学家安妮维汉发现“绿豌豆”星系可能会发射大量电离光子。 这种电离光子就像一根魔杖，可以将宇宙中的中性（不带电）氢变成电离（带电）氢。 由于“绿豌豆”星系与宇宙婴儿时期的原始星系非常相似，天文学家推测宇宙的再电离期可能与原始星系有关。 为了表彰安妮的研究，瑞士国家科学基金会将于 9 月 16 日授予她玛丽海姆-沃格林奖。

什么是宇宙再电离？ “绿豌豆”能否揭示宇宙早期历史的奥秘？

整个宇宙几乎完全电离

大约140亿年前，宇宙发生了一次大爆炸，然后宇宙随着膨胀而冷却。 当温度降低到某个临界温度时，宇宙中的电子和质子就会重新结合形成氢原子，拉开宇宙黑暗时代的帷幕。 这一时期，整个宇宙没有任何恒星或星系，中性氢原子无处不在，这种状态网持续了数亿年。

尽管这一时期宇宙寒冷无光，但大量氢原子在重力作用下开始不断塌缩，形成了第一批原恒星。 随着第一代恒星的诞生，宇宙黑暗期的代谢帷幕逐渐进入黎明期。

第一代恒星和星系形成后，天文学家观察到宇宙中的中性氢被大量重新电离，因此他们推测第一代恒星和星系发射了大量的电离光子，使周围的中性氢电离。 这个过程就是宇宙再电离期。

“在宇宙的不同时期，氢的总体比例基本相同，但在宇宙再电离时期，中性氢和电离氢的比例随着时间的推移而变化。” 中国科学院上海天文台研究员郑振亚长期从事宇宙再电离期的观测和研究。 他在接受科技日报记者采访时表示，“宇宙再电离结束后到现在，宇宙几乎100%处于电离状态。这是因为宇宙中存在大量的紫外电离光子，截面也很大，很多恒星和星系一直在发射紫外光子，紫外光子的产生大于其消耗。因此，只要有足够的紫外光子，中性氢就可以保持在电离状态。” 郑振亚解释道。

中性氢和电离氢的区别可以通过特殊的发射线来识别，即“莱曼辐射”，它是氢原子从第一激发态到基态能级跃迁所对应的辐射。 郑振亚告诉记者，在中性氢转化为电离氢的过程中，有超过60%的概率会释放出莱曼辐射，因此天文学家可以利用莱曼辐射的发射或吸收特性来了解宇宙中电离氢与中性氢的具体比例。

天文学家带来的重大发现

通常，天文学家会将宇宙微波背景辐射的研究和早期宇宙星系的研究结合起来，揭示宇宙再电离的演化历史。

此次，安妮在宇宙再电离研究方面的突破与“绿豌豆”星系密不可分，这是天文学家于2009年发现的一组微型星系，距离地球1.5至50亿光年。 它们的大小不到银河系的十分之一，质量不到银河系的百分之一，但这些星系中恒星形成的速度却快了10倍。

郑振亚告诉记者：“实际上，‘绿豌豆’星系是在大爆炸之后100亿多年才诞生的，它们并不是宇宙中最早的星系。但由于‘绿豌豆’星系非常短、小且密集，我们推测它们与宇宙原始星系相似。”

安妮和她的团队利用哈勃太空望远镜的数据证明，绿豌豆星系确实发射大量电离光子。 专家表示，如果“绿豌豆”类似于原星系，那么原星系很可能在130亿年前引发了宇宙再电离。

郑振亚告诉记者，与银河系相比，原始星系的质量相对较小，致密且致密，并且不存网在像银河系那样的旋臂。 如果银河系看起来像一个圆盘，那么原始星系只是一个点。

受限网于观测水平，天文学家能够收集到的原始星系样本非常少。 2017年，郑振亚和他的研究团队获得了早期宇宙（大爆炸后约8亿年）的星系样本，发现当时宇宙中星际介质中氢的电离率约为50%。 “探索早期宇宙，揭开宇宙再电离之谜，将有助于了解宇宙的整体演化过程，了解宇宙中恒星和星系的形成和演化。” 郑振亚说道。