近日，由我校天文系发起的，中国、美国、智利三国天文学家参加的“宇宙再电离时期的莱曼阿尔法星系”（英文缩写LAGER）研究项目在宇宙黑暗时期星系观测研究领域再获突破性进展。该项目使用安装于智利CTIO天文台4米口径望远镜的超大视场暗能量相机，通过专门定制的窄带滤波片，系统搜寻宇宙黑暗时期莱曼阿尔法发射线星系候选者，他们通过分析测光选星系样本，发现了一个红移～6.9的原初星系团候选者LAGER-z7OD1，并利用国际大型望远镜得到了光谱证认。LAGER-z7OD1是宇宙中已知最遥远的原初星系团。国际知名天文期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）于2021年1月26日凌晨以“A Lyman-α protocluster at redshift 6.9”为题发表了这一重要研究结果。
在宇宙大爆炸后随着宇宙逐渐冷却，质子和电子结合形成中性氢，由于中性氢对紫外光子的吸收，宇宙进入黑暗时期。随着宇宙中第一代恒星和星系开始形成，它们发出的紫外光子开始电离周围的中性氢，形成一个个电离泡，随着电离泡的逐渐扩大并合，整个宇宙逐渐重新变得透明，从而结束黑暗时期，这段宇宙早期的整体相变过程被称之为再电离。观测宇宙再电离的过程和这一时期的星系是天体物理前沿一个极具挑战性的课题。
左图：原初星系团LAGER-z7OD1中Lyα发射线星系的空间分布。右图：COSMOS天区中所有红移~7的Lyα发射线星系的空间分布，图中的虚线方框表示着左图原初星系团所在的位置。
天文学家预期宇宙再电离时期的星系是强莱曼阿尔法(Lyα)发射线天体，可以用窄波段成像法高效探测，同时Lyα光子会被星系际弥散的中性氢原子散射，因此观测到的发射线强度和轮廓依赖于再电离程度，Lyα发射线星系是探测宇宙再电离和宇宙早期星系的强有力手段。LAGER项目组致力于搜寻红移~7的莱曼阿尔法发射线星系，他们通过分析窄波段选的星系候选者空间分布，发现了一个由21个Lyα发射线星系组成的过密区域LAGER-z7OD1，星系数密度是平均值的6.1倍。项目组利用智利麦哲伦望远镜针对这个区域进行光谱证认，从而确认这些星系组成了一个迄今有光谱证认的最遥远的原初星系团，它所处的宇宙年龄仅有7.7亿年（相当于宇宙年龄的~6%），最终塌缩形成的星系团质量估计为3.7×1015太阳质量。
原初星系团的高星系空间密度能够提供更多的电离光子，其中的星系际介质可能会率先完成再电离。通过估计LAGER-z7OD1成员星系产生的电离泡大小，项目组发现它们的电离泡总体积与原初星系团的体积相当，也就是这些电离泡刚完成了并合成为巨电离泡。因此，这项发现不仅仅是创造了一个红移记录，同时为宇宙再电离过程和再电离泡的后续深入研究提供了绝佳的观测目标。
获光谱证认的成员星系及它们产生的电离泡的三维空间分布（动图）。
论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生胡维达，天文系王俊贤教授为通讯作者。项目国内核心成员还包括我校校友上海天文台郑振亚研究员。该研究得到了国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金委、中科院等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-020-01291-y
（物理学院、科研部）