探測發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)宇宙中的第一代恒星、星系、黑洞對理解天體的形成與演化、宇宙黎明時代等具有極為重要的意義。由于距離極遠(yuǎn)及宇宙的高速膨脹，這類星系非常暗淡難以觀測。因此探測處于宇宙早期的最高紅移天體——恒星、星系、類星體，就猶如天文學(xué)中的“圣杯”、奧林匹克運動會中的“金牌”，令人趨之若鶩、萬眾矚目！

宇宙演化歷史（Credit: ESO）

近日，一個由日本東京大學(xué)天文學(xué)家領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊發(fā)表文章稱探測到一個迄今發(fā)現(xiàn)的最高紅移的星系（候選體）HD1，其紅移量估計高達(dá) z~13.3 ！距離我們遠(yuǎn)達(dá)135億光年，誕生于宇宙大爆炸后的僅3億年！（科學(xué)文章于4月8日正式發(fā)表于《天體物理學(xué) The Astrophysical Journal》雜志）。而之前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的紅移最高的星系是GN-z11（其紅移為z~11，見 Oesch et al. 2016, ApJ; Jiang et al. 2021, Nature Astronomy）。

最高紅移星系候選體HD1的三色彩圖，VISTA望遠(yuǎn)鏡觀測（Credit: Harikane et al.）

該研究采用的搜尋極高紅移星系的方法為dropout法挑選萊曼截斷星系（Lyman Break Galaxies, LBGs）：由于短于氫的萊曼線系限（Lyman limit）912? 的輻射被星系際中性氣體所吸收，造成“萊曼截斷”；對于高紅移星系(z>6)，截斷紅移至可見光-近紅外波段，可利用“短波波段無探測但長波有”的dropout方法選出此類候選星系。（原理示意可見下圖）

dropout方法挑選LBGs原理示意圖（圖源: R.Ellis 1998）

對于紅移z>10的極高紅移星系而言，則需利用近紅外-中紅外波段的觀測。如本項研究即采用近紅外H波段（波長約1.6微米）dropout方法，利用昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡（Subaru）、VISTA望遠(yuǎn)鏡、UK紅外望遠(yuǎn)鏡（UKIRT）、斯必澤（Spitzer）空間望遠(yuǎn)鏡觀測數(shù)據(jù)，挑選出了兩個紅移估計為z~13.3 和 z~12.3的最高紅移星系HD1和HD2，但由于尚無光學(xué)-紅外的光譜譜線證認(rèn)因此暫時只能稱其為候選體（candidates）.

同時，該團(tuán)隊利用建于智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）對HD1進(jìn)行了后隨觀測，在~238GHz觀測頻率處探測到一個疑似 [OIII] 88微米的發(fā)射線（4σ精度）。若此信號為真，則據(jù)此推算的紅移值亦~13.3，與利用上述紅外觀測推測結(jié)果一致！

ALMA觀測HD1的射電譜—疑似[OIII]發(fā)射線局部（圖源: Harikane et al. 2022, ApJ）

另外，該團(tuán)隊的合作者也在《MNRAS快報》雜志上同步發(fā)表了討論HD1本質(zhì)的科學(xué)文章（Pacucci et al., 2022, MNRAS Letters, accepted），討論了該星系究竟是具有很高恒星形成率的星暴星系（starburst galaxy）、還是一個有著中央超大質(zhì)量黑洞劇烈吸積的類星體（quasar）的問題。若該星系具有極端星暴，或是中央超大質(zhì)量黑洞有極高的吸積效率（接近或超愛丁頓吸積率），則上述兩種情況均有可能，當(dāng)然尚需進(jìn)一步的光譜觀測證認(rèn)與研究。

HD1與HD2的紅外SED與類星體模板比較（圖源: Pacucci et al., 2022, MNRAS Letters）

期待韋布 JWST：目前，該團(tuán)隊已申請獲得利用剛剛于去年底發(fā)射的韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）觀測HD1的高精度近紅外光譜，以對其進(jìn)行最終證認(rèn)與深入研究。若能確認(rèn)則HD1將成為人類發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的天體，對我們理解宇宙早期歷史、再電離時代、第一代天體形成等具有重要意義。讓我們拭目以待！

宇宙歷史與最早的星系（Credit: Harikane et al., NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University)）

-- 相關(guān)文章： “A Search for H-Dropout Lyman Break Galaxies at z~12-16”, Yuichi Harikane et al., 2022, ApJ, 929, 1 : https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac53a9

-- 擴(kuò)展閱讀：

最遙遠(yuǎn)的恒星（利用引力透鏡發(fā)現(xiàn)）：Earendel，距離約129億光年（對應(yīng)紅移z~6.2）；

最遙遠(yuǎn)的類星體：J0313-1806，紅移z~7.642（Wang et al., 2021, ApJL）

-- 更多關(guān)于高紅移星系的科普介紹可見：https://mp.weixin.qq.com/s/pDIChc7eZd4pjmUyDso4fQ

來源: 山東天文學(xué)會