发现宇宙“婴儿时期”的最遥远星系——《自然》杂志发表我院舒新文博士与国际合作者重要研究成果 [2016-07-10]

　　目前天文学家和物理学家认为宇宙诞生于近137亿年前的一次大爆炸。在大爆炸后的3－5亿年后，宇宙经历了一段被称为“黑暗时期”的演化阶段，在此之后宇宙诞生了第一批恒星并出现了可见的星光。因此，发现宇宙中最早的天体所发出的光，对理解宇宙“黑暗时期”如何结束之谜极富价值。由于宇宙中越早形成的星系离我们的地球越遥远，星系的亮度也越微弱，大多数都超出了当今世界上最大地面望远镜（8－10米级）的观测极限，我们在地球上很难探测到来自宇宙“黑暗时期”结束时第一代天体的微弱信号。因此要捕捉到早期宇宙中的神秘天体，天文学家们就需要依靠“引力透镜”效应来发现它们。

　　爱因斯坦于20世纪20年代提出，光线在引力场作用下会发生弯曲。当光线通过一个巨大质量天体时，周围存在的强引力场使得光线发生明显偏折，这种类似“凸透镜”效应的天体被天文学家称为“引力透镜”。当来自遥远星系发出的光线传播至靠近我们的前景“透镜”天体时，光线会在大质量天体附近沿弯曲空间传播，并在地球观测者视线方向形成放大和增亮的图像。在这个过程中，前景天体充当了“天然望远镜”，使遥远的星系发出的光更容易被探测到。正是通过星系团的“引力透镜”效应，使得MACS 1149-JD星系的亮度增加了大约15倍，导致这个遥远年轻星系发出的光线被空间望远镜捕捉到。哈勃空间望远镜和斯皮策红外空间望远镜探测到的光线来自于大爆炸后的5亿年（约现在宇宙年龄的3.6%）。从技术上看，该星系的红移值达到了9.6。天体的宇宙学红移是由于宇宙膨胀导致天体发出的光能量降低，波长变长的现象。据此，天体的红移大小（即哈勃红移）可以用来表示宇宙的距离。

　　该星系不同于以往在早期宇宙中所观测到的天体（体现在单一波段），MACS 1149-JD是在哈勃空间望远镜和斯皮策红外卫星五个不同的红外波段被显著探测到，尤其是斯皮策卫星红外观测的加入，使得这项发现有了更加可靠的数据支持。 然而，与哈勃望远镜图像相比，斯皮策卫星观测图像的分辨率较差，加上其更强的红外背景辐射，探测高红移星系微弱的信号极具挑战性。我系舒新文博士为国际联合研究团队发展了一套分析斯皮策卫星红外观测数据的新方法，克服了前景星系对MACS149－JD红外辐射的污染问题，为这项发现提供了最为关键的中红外测光数据。由此精确限定了MACS149－JD的红移，并对星系的年龄(小于2亿岁)作出了可靠的约束。

　　事实上，利用哈勃空间望远镜的高分辨率观测数据，发现MACS149－JD的质量和星系盘都较小，仅为我们银河系质量的1%。 根据目前关于星系形成的标准理论模型——等级成团模型，即小质量星系形成于宇宙早期，再通过并合过程形成邻近的大质量星系。MACS149－JD的发现有望对星系形成理论模型提供最直接的观测证据。此外，早期宇宙演化出现的第一批星系可能在宇宙再电离时期扮演着重要角色，其发出的光线也标志着宇宙“黑暗时期”的结束。

　　《自然》杂志审稿人给予了该工作高度评价，称“该文章给出了一个被引力透镜放大的红移为9.6的遥远星系令人信服的证据”，“将对天文学领域产生重要影响”和“提供了利用未来JWST和地面30m级望远镜对最高红移天体进行光谱观测的可能性”。美国加州理工学院著名天体物理学家Richard Ellis教授称赞道“这是一个漂亮的结果”，“这将预示宇宙中会有更多的类似天体”。《自然》杂志还以“Infant galaxy offers tantalizing peek at early Universe”（婴儿星系正在触及早期宇宙）为题进行了特别报道。该论文相继被《洛杉矶时代周刊》《发现》《新科学家》《空间科学》《ABC科学新闻》等来自美国、欧洲、澳大利亚的超过30家科学媒体进行了报道。作为哈勃空间望远镜的继任者，美国宇航局打造的新一代詹姆斯•韦伯空间望远镜原定于2018年升空，将研究宇宙中第一批恒星和星系的诞生及其演化，而早期宇宙中的星系将会是首要的观测目标。