——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
近日,中國科學(xué)院上海天文臺“早期宇宙與高紅移星系”研究團(tuán)隊在《天體物理學(xué)雜志通訊》(Astrophysical Journal Letters)上發(fā)表重要研究成果1,系統(tǒng)分析了23個紅移3<z<4.5的萊曼連續(xù)輻射(Lyman Continuum,LyC)星系的形態(tài)學(xué)性質(zhì)。本研究為該研究團(tuán)隊關(guān)于LyC星系的系列研究成果之一,繼LyC輻射偏離星系中心現(xiàn)象研究以及LyC星系的恒星形成性質(zhì)研究之后2,本研究進(jìn)一步對這些星系的形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析?;诠胀h(yuǎn)鏡(HST)和詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)的高分辨率觀測數(shù)據(jù),本研究揭示了星系結(jié)構(gòu)與LyC光子逃逸之間的密切關(guān)系,為理解星系在宇宙再電離過程中的作用提供了新的觀測線索。
本研究首次系統(tǒng)評估了高紅移LyC星系的并合星系比例。結(jié)果顯示,23個樣本中有20個存在多個成分或伴星結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出顯著的并合特征,并合星系比例高達(dá)約86%,而在以往對同等或更高紅移的普通星系研究中,這一比例通常低于50%。即便采用非參數(shù)方法(可能低估部分并合事件),并合比例仍顯著偏高。
圖1: LyC星系的高分辨率圖像(2“x2”尺寸),可以直接看到大部分星系都表現(xiàn)出了并合星系的特征。
通過進(jìn)一步檢查這些星系的恒星形成率-恒星質(zhì)量的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),所有位于恒星形成主序上的LyC星系均為并合星系,而個別未展現(xiàn)并合特征的LyC星系則均為星暴星系(starbursts),表現(xiàn)出更劇烈的恒星形成活動。這一趨勢同樣出現(xiàn)在低紅移(z~0.3)的LyC星系中,表明無論在宇宙早期還是后期,LyC光子的逃逸都與星暴或星系并合過程密切相關(guān)。兩類物理過程不僅能夠驅(qū)動LyC光子的產(chǎn)生,也通過擾動氣體分布、打開低柱密度通道等方式增強(qiáng)LyC光子的逃逸概率。
此外,研究團(tuán)隊還測量了這批高紅移LyC星系的有效尺寸,結(jié)果表明這些星系相較于低紅移LyC星系和高紅移普通星系更為擴(kuò)展。進(jìn)一步計算的恒星形成率面密度表明,這些星系在單位面積的恒星形成活動普遍高于同紅移的星系樣本。這一結(jié)果提示,高恒星形成率面密度可能是LyC光子成功逃逸的關(guān)鍵物理條件之一。
圖2: 高紅移LyC星系的尺寸測量結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)其比低紅移的LyC星系尺寸要相對延展。
“我們發(fā)現(xiàn)LyC星系的形態(tài)特征與其LyC光子的逃逸行為之間存在緊密關(guān)聯(lián),并合過程或劇烈的恒星形成活動都有可能為LyC光子的逃逸創(chuàng)造通道?!闭撐牡谝蛔髡摺⒉┦垦芯可鞄浫灞硎?,“這是目前對高紅移LyC星系形態(tài)學(xué)特征最全面的一次研究,有助于我們理解星系在宇宙早期的演化角色。”
論文通訊作者,中國科學(xué)院上海天文臺鄭振亞研究員指出:“JWST的高分辨率圖像讓我們能夠更清楚地看見這些星系的結(jié)構(gòu)與活動。這些結(jié)果不僅為再電離過程提供了新的證據(jù),也為下一代深空觀測項目提供了重要參考。” 他進(jìn)一步強(qiáng)調(diào):“未來即將發(fā)射的中國空間站望遠(yuǎn)鏡(CSST)將配備多通道成像儀,在紫外波段具有更深的觀測能力和更大的天空覆蓋范圍。我們期待通過CSST發(fā)現(xiàn)更多LyC星系,從而將這類研究從小天區(qū)小樣本研究推進(jìn)到大天區(qū)大樣本統(tǒng)計研究階段。”
該工作得到了科技部重點研發(fā)專項、國家自然科學(xué)基金委、中智天文合作項目、中國空間站項目、上海市自然科學(xué)基金等項目的支持。
論文鏈接:
科學(xué)聯(lián)系人:
鄭振亞:zhengzy@shao.ac.cn
朱帥儒:shuairuz@shao.ac.cn