日本千葉大學研究：早期星系中首次直接探測到中性氣體

科技日報北京6月15日電 （記者張佳欣）日本千葉大學領銜的國際研究團隊利用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA），首次在宇宙大爆炸后約7億至8億年的典型星系中直接探測到中性氣體，為揭示早期星系形成過程打開了一扇新窗口。相關研究15日發表在《天體物理學雜志》上。

宇宙大爆炸后約數億年，第一批星系開始形成。恆星誕生所需的原料來自星系中的冷中性氣體，但由於這種氣體難以直接探測，人們對早期星系如何成長一直缺乏清晰認識。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）和哈勃空間望遠鏡雖然能夠清晰觀測遙遠星系中的恆星和高溫氣體，卻無法直接看到為恆星形成提供原料的中性氣體。此前廣泛使用的[C Ⅱ]發射線既可能來自中性區域，也可能來自電離區域，因此難以准確判斷其來源。

為解決這一問題，團隊將目標鎖定在145微米波長的[O Ⅰ]發射線。這種由中性氧原子發出的信號是追蹤中性氣體的直接標志。研究人員還結合僅來自電離氣體的205微米[N Ⅱ]發射線，對不同來源的輻射進行區分，從而成功提取出中性氣體成分。

團隊選擇了4個典型恆星形成星系進行觀測，它們發出的光來自宇宙大爆炸后約7億至8億年。利用ALMA，研究團隊在4個星系中都探測到了145微米[O Ⅰ]發射線，並結合JWST的數據，對這些星系中恆星形成物質的物理和化學性質進行了迄今最詳細的分析。

由於205微米[N Ⅱ]發射線非常微弱甚至未被探測到，推斷這些星系中的輻射主要來自中性氣體，而非電離氣體。這一結果不僅驗証了[O Ⅰ]信號的來源，也有助於重新解釋此前大量的[C Ⅱ]觀測數據。

團隊還結合[O Ⅰ]和[C Ⅱ]信號，對中性氣體環境進行了建模。結果發現，這些氣體密度非常高，與已知恆星形成最劇烈的星暴星系相當，但輻射場強度略低。這表明，宇宙黎明時期的星系雖然體積緊湊，卻擁有非常致密的恆星形成區域。