北京大学科维理天文与天体物理研究所江林华领衔的国际团队探测到一个134亿光年外星系的光谱，证实了该星系为人类发现的最遥远天体。团队同时还捕捉到来自该星系持续数分钟的爆发信号，疑似与星系中一个伽马射线暴有关。该成果对理解宇宙早期星系和恒星形成有重要意义，为研究宇宙极早期天体打开了一扇窗口。目前该成果的两篇论文均发表在2020年12月14日的《自然-天文》（Nature Astronomy）杂志上。
图1. 艺术想象图 - 北大学者领衔团队证实134亿光年之外存在的最遥远星系及其中疑似伽马射线暴（图片制作：北京天文馆喻京川）
根据理论和数值模拟估算，宇宙大爆炸后38万年至约1.5亿年间，宇宙经历了所谓的“黑暗时代”。在这黑暗时代末期，宇宙大尺度结构在暗物质作用下开始显现，带来了第一代恒星和星系的诞生。第一代恒星形成于大爆炸后约1.5亿年，而第一代星系在随后的1亿年左右形成，同时最早的大质量黑洞种子也开始诞生和成长。这些天体发出的电离光子重新“点亮”宇宙，即宇宙再电离。该电离过程持续数亿年，是宇宙早期演化的最重要时期之一。研究宇宙再电离和探测早期天体发出的“第一缕曙光”是下一代地面和空间大型光学红外望远镜的主要科学目标之一。但就目前能使用的望远镜而言，由于这些遥远天体发出的光抵达地球时信号极其微弱，探测它们更细致的光谱非常困难。
江林华领衔的国际团队所研究的天体是一个称为GN-z11的星系。哈勃太空望远镜已有数据显示GN-z11的宇宙学红移可能为11左右，或至少是10以上。一般认为，在下一代红外望远镜运行之前，很难准确测量该星系的红移。然而，江林华团队利用目前国际上最先进的地面光学红外望远镜之一，即位于夏威夷山上十米口径的凯克（Keck）望远镜，在近红外波段对GN-z11进行了深度光谱观测，并基于光谱分析出该星系的准确红移为10.957，证实其为134亿光年之外的星系（图2）。这也是目前人类通过光谱证实的最遥远天体。光谱显示有三条发射线，由碳和氧的二次电离气体发出，表明该星系中已有丰富的金属成分（指非氢和氦元素）。这也意味着该星系不是宇宙中第一代星系，即几乎没有金属成分的星系。
图2. 星系GN-z11的部分光谱。其中图a 和c 分别是二维和一维光谱，图b 和d 分别是相应的平滑后光谱。图中显示，二次电离碳位于静止波长191纳米左右的发射线，已经移至2283纳米左右，表明其红移为10.957，即距离在134亿光年外。
该研究团队在观测GN-z11的光谱时，还探测到来自该星系方向的一次爆发。该爆发表现为一明亮的近红外光谱，持续时间短于三分钟（图3）。这是一次低概率事件。光谱包含明显的大气吸收成分，表明爆发信号来自地球大气层外。经详细分析，基本排除该爆发信号来自地球上人造物体和太阳系天体等来源。进一步理论计算表明，该光谱可能来自GN-z11的一次伽马射线暴，为伴随该伽马射线暴的（静止坐标下）紫外辐射。遗憾的是，在观测时段内现有伽马射线卫星没有观测该天区或探测深度不够。尽管在观测时段内GN-z11发生伽马射线暴的概率极低，但仍远高于来自其它已知信号源的概率。若伽马射线暴解释成立，那么这是目前人类已知的最遥远天体爆发，表明宇宙大爆炸后4亿年左右宇宙就可能大量产生伽马射线暴。
图3. 爆发信号光谱。图a 显示的是二维光谱，图b 中蓝色显示的是从图a 中直接抽取的光谱，图c 中蓝色显示的是矫正后的光谱
以上成果为研究宇宙极早期天体打开了一扇窗口，也表明现有大型天文设备有能力探测到部分早期星系的光谱。国际下一代甚大红外天文观测设备有望深入理解更多如GN-z11这样的星系及其前身，包括第一代星系，而下一代伽马射线巡天项目将有望直接探测到来自宇宙早期的伽马射线暴。
该研究得到国家自然科学基金委、科技部和中科院南美天文中心等资助。
论文题目和在线链接：
1. Evidence for GN-z11 as a luminous galaxy at redshift 10.957（DOI: 10.1038/s41550-020-01275-y）
（https://www.nature.com/articles/s41550-020-01275-y）
2. A possible bright ultraviolet flash from a galaxy at redshift ≈ 11（DOI：10.1038/s41550-020-01266-z）
（https://www.nature.com/articles/s41550-020-01266-z）
