“绿豌豆”带来130亿年前宇宙再电离图景

天[db:标签]��爱好者发现的“绿豌豆”星系正在帮助专业天文学家揭开宇宙黑暗的奥秘。

最近，瑞士天文学家安妮威汉发现“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，将宇宙中的中性氢（不带电）变成电离氢（带电）。由于“绿豌豆”星系与宇宙初期的原始星系非常相似，天文学家推测宇宙的再电离时期可能与原始星系有关。为表彰Anne的研究，瑞士国家科学基金会将于9月16日授予她Mary Heim-Wogreen奖。

宇宙的再电离是什么？ “绿豌豆”可以揭示宇宙早期历史的奥秘吗？

整个宇宙几乎完全被电离

大约140亿年前，宇宙爆炸，随着扩张，宇宙逐渐冷却下来。当降低到一定的临界温度时，宇宙中的电子和质子将形成氢原子，从而打开了宇宙黑暗时代的帷幕。在此期间，宇宙中没有恒星或星系，到处都有中性氢原子。这种状态持续了数亿年。

虽然在此期间宇宙是冷的和无光的，但是大量的氢原子在重力作用下开始坍塌，形成了原始的原恒星。随着第一代恒星的诞生，宇宙的黑暗是一个代谢屏幕，逐渐进入黎明时期。

在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重新电离了很多，因此他们推测第一代恒星和星系发射了大量的电离光子，使它们在氢气周围被电离。这个过程是宇宙重新电离的时期。

“在宇宙的不同时期，氢的总体比例基本相同，但在宇宙的再电离期，中性氢与电离氢的比例随时间而变化。”郑振亚，中国科学院上海天文台研究员在观察宇宙再电离时期，他在接受“科技日报”记者采访时称，“再电离结束后”在宇宙中，宇宙几乎100％电离。这是因为宇宙中有大量的紫外电离光子和大截面。许多恒星和星系都在发射紫外光子，紫外光子的产生大于因此，只要紫外光子充足，中性氢就可以保持电离状态，“郑振亚解释说。

中性氢和电离氢的差异可以借助一种特别的发射线来识别，也就是“莱曼α辐射”，它是氢原子第一激发态到基态能级跃迁对应的辐射。郑振亚告诉记者，中性氢在转化成电离氢的过程中，有超过60%的概率会释放出莱曼α辐射，所以天文学家们可以借助莱曼α辐射的发射或吸收特征来了解宇宙中电离氢和中性氢的具体比例。

天文学爱好者带来的重大发现

通常，天文学家会结合宇宙微波背景辐射研究和宇宙早期星系研究，来揭示宇宙再电离的演化历史。

这一次，安妮在宇宙再电离研究方面的突破离不开“绿豌豆”星系，这是天文爱好者在2009年发现的一批微型星系，距离地球15—50亿光年之遥。它们的体积不足银河系的十分之一，质量不足银河系的百分之一，但在这些星系内形成恒星的速度却要快10倍。

郑振亚告诉记者：“实际上，‘绿豌豆’星系诞生在宇宙大爆炸100多亿年以后，它们并不是宇宙最早的星系。但由于‘绿豌豆’星系很矮、很小且致密，我们猜测它们与宇宙原初星系类似。”

利用哈勃太空望远镜的观测数据，安妮及其团队证明“绿豌豆”星系确实会发射大量电离光子。专家表示，如果“绿豌豆”类似于原初星系，那么很可能是超过130亿年前的原初星系触发了宇宙再电离。

郑振亚告诉记者，与银河系相比，原初星系质量比较小、紧凑致密，没有像银河系这样的旋臂存在。如果说，银河系看起来是个盘，那么原初星系就是一个点。

受到观测水平限制，天文学家能搜集到的原初星系样本很少。2017年，郑振亚及其研究团队获得了一个宇宙早期（大爆炸后约8亿年）的星系样本，并由此发现当时的宇宙中星际介质里氢的电离比例约50%。“探索更早期的宇宙，揭开宇宙再电离的奥秘，有助于了解宇宙的整体演化过程，并理解宇宙中恒星和星系的形成与演化。”郑振亚说。