宇宙再电离过程，约发生在130亿年前，涉及宇宙中第一代天体的诞生和整体宇宙的最后一次重大相变。在这个过程中，宇宙中最丰富的元素“氢”在整体中性氢的环境里，在第一代恒星、星系和黑洞所产生的紫外光子的电离作用下，变成了整体电离氢。因此，宇宙再电离的研究是当前天文学最前沿的领域之一。正在飞向目的轨道的韦布（JWST）空间望远镜和下一代平方公里阵列射电望远镜（SKA）都将“宇宙再电离”纳入核心科学目标。
然而，由于星系际介质的吸收以及流量信号随距离增加而减弱的效应，科学家们无法直接观测到宇宙再电离时期星系所产生的莱曼电离光子对周围中性氢进行电离的过程。因此，在星系的莱曼电离光子逃逸问题上，仅局限于对中低红移处（红移4以下）的十多例具有莱曼电离光子逃逸的星系样本的研究。这些研究需要深度的紫外观测数据以获取红移后的莱曼电离光子（静止坐标系波长在912埃以下）的探测信号，来计算星系对中性氢的电离能力，从而理解宇宙再电离过程。
本次研究中，科研人员利用空间紫外深场数据，对一批具有强发射线的星系进行了系统搜索，并发现其中一个星系——CDFS-6664——在哈勃紫外深场图像上具有信噪比超过5的探测。根据该星系的红移（3.797）可知，该信号来自莱曼电离光子的辐射，这说明该星系极有可能具有莱曼电离光子逃逸现象。论文第一作者上海天文台的袁方婷副研究员介绍：“我们通过进一步研究发现，该星系的谱线形状和光谱能量分布均符合莱曼电离光子逃逸星系的特征，还发现该星系周围环境比较特殊，其附近存在的类星体等电离源极有可能对视线方向上的中性吸收体进行了电离，使得该星系的莱曼电离光子比其他星系更容易被我们观测到。综合这些证据，我们认为该星系属于现有观测中罕见的高红移莱曼电离光子逃逸星系（如图所示）。”
此项工作主要基于哈勃空间望远镜（HST）的紫外深场HDUV数据。“这个工作帮助我们进一步确认了空间紫外深场的研究价值。然而，目前HDUV的深度还不足以发现更多此类具有莱曼电离光子逃逸的星系。我们正在研制的中国空间站望远镜上的多通道成像仪载荷，其规划的紫外深场项目将是HDUV面积的3倍且深至少一个星等，未来将助力我们进一步研究星系的莱曼电离光子逃逸问题。”该工作的合作者、上海天文台的郑振亚研究员说。
该研究获得了上海市自然科学基金（21ZR1474300）、国家自然科学基金（11773051，12022303）、CSST预先研究等项目的支持，团队成员还包括课题组研究生林如秋、朱帅儒和博士后Rahna P.T.（获中国科学院PIFI博士后项目支持）。
星系CDFS-6664（红移约3.8）的莱曼电离光子辐射探测、能量光谱分布和莱曼阿尔法发射线形状。
科学文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac4170
科学联系人：袁方婷，中国科学院上海天文台，yuanft@shao.ac.cn
附件下载：
