要点

在本研究之前，并未在40亿光年到110亿光年之间的星系中发现可对漂浮在星系间的氢进行电离的强紫外线。
利用印度的天文卫星，成功检测到距地球约90亿光年的遥远星系放射出的强紫外线。
本研究有望推动宇宙再电离的阐明和太空望远镜的开发。

由早稻田大学理工学院的井上昭雄教授、Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics的Kanak Saha博士等人组成的研究小组，利用印度的天文卫星成功检测到距地球约90亿光年的遥远星系放射出的强紫外线。

迄今为止，许多天文学家都曾尝试找出可对漂浮在星系间的氢进行电离的强紫外线，但是在40亿光年到110亿光年之间的星系中并未发现。而本次研究使用印度天文卫星上搭载的紫外线望远镜，成功检测到距地球约90亿光年的遥远星系放射出的强紫外线，该紫外线在迄今为止检测出的紫外线中具有最高能量（波长最短）。本次研究成果有望推动宇宙再电离的阐明和全球太空望远镜的开发。

本研究成果已于2020年8月24日（周一）下午4点（英国时间）在线发表于《Nature Astronomy》。

论文名：AstroSat detection of Lyman continuum emission from a z = 1.42 galaxy

1、从先行研究中得到的信息

在宇宙初期，大爆炸后的约40万年到约2、3亿年的期间被称为既没有恒星也没有星系的“宇宙黑暗时代”。那时，宇宙的物质（主要是氢气）处于电中性状态。之后，当宇宙中的第一个天体诞生并形成一组恒星，即星系时发出了大量紫外线，使漂浮在星系之间的氢气被电离，这被称为“宇宙再电离”。从大爆炸到黑暗时代之前的氢气处于电离状态，在黑暗时代处于电中性，黑暗时代之后再次处于电离状态。

迄今为止，星系间的氢气仍一直处于电离状态。其中一个有影响力的说法是宇宙再电离是由早起宇宙中的年轻银河系引起的，但是具体情况还不清楚。该现象的阐明是现代天文学的一个重要课题。

天文学家们一直在寻找能够放射出足以电离氢气的强紫外线（波长小于91.2nm^※1的光，以下称为“电离光子”）的星系。但是，由于很难观测到电离光子，因此迄今为止发现的电离光子星系并不多。宇宙再电离时代大约是130亿年前，但是还未找到那时的电离光子星系。这是因为即使在宇宙再电离后的星系空间中，仍残留有少量中性氢（10万个中大约只有不到1个中性氢），而且即使是少量的中性氢也足以吸收全部的电离光子，致使电离光子无法到达地球。

在110亿年前的宇宙中，星系间残留的中性氢量进一步减少，从而开始有机会直接观测到电离光子。另外，这个时代的电离光子会逐渐红移^※2至可以用斯巴鲁望远镜等大型地面望远镜观测到的可见光。尽管如此，目前也仅报道了约10个电离光子星系。

随着时间的推移，距离变近，红移变小，从而使电离光子直接以紫外线的形式到达地球，并被大气吸收，因此需要将望远镜安装在大气层外对电离光子进行观测。但是，即使使用哈勃太空望远镜也仅在距地球约40亿光年以内的约10个星系中检测出电离光子。结果，完全没有发现距地球40亿光年到110亿光年之间的电离光子银河系。

2、本研究的目的及发现

本研究利用印度天文卫星AstroSat上搭载的紫外线望远镜（UltraViolet Imaging Telescope，以下简称为“UVIT”），探索到一个至今尚未被发现的时代的电离光子星系。而且，从距地球约90亿光年的星系AUDFs01中成功检测到电离光子。检测到的电离光子的波长返回红移后为64nm，是能量非常高的紫外线。这是第一次从星系中检测到如此高能量的紫外线，并且获得了关于星系电离光子光谱的新观测信息。

3、新开发的方法

AstroSat是印度宇宙研究机构于2015年9月28日年发射的印度首颗天文科学卫星。UVIT是直径为38厘米的望远镜，具有在广阔视野中同时捕获远紫外线（154nm）和近紫外线（242nm）的功能。

本研究小组利用UVIT对太空中被称为GOODS South^※3的区域进行了约28小时的观测，并花了两年时间对观测到的数据进行分析，制作出迄今为止灵敏度最高的远紫外线图像。

本研究小组将该图像命名为AstroSat Uv Deep Field south（以下简称为“AUDF south”）。本次报道的星系的名字AUDFs01指AUDF south的天体编号1。

AstroSat Uv Deep Field（AUDF）的伪彩色图像。红色：波长812.8nm（哈勃太空望远镜）、绿色：波长603.5nm（哈勃太空望远镜）、蓝色：241.8nm（AstroSat）、蓝色：154.2nm（AstroSat）。AUDFs01是被图中正方形框起来的星系，左下角是其放大图。右下角是AstroSat的图像。（图像来源：Kanak Saha博士）

4、研究效果和社会影响

在本研究中，最重要的是获得了至今未观测到的星系的远紫外线光谱信息。表示星系产生的电离光子量以及电离光子在星系间如何传递的信息有可能成为阐明宇宙再电离的关键之一。另外，本研究还证实，即使像AstroSat/UVIT这样的小型望远镜，只要对其性能进行特别设置，也能发挥出超越哈勃太空望远镜的作用。本研究有望大大推动全球太空望远镜的开发。

5、未来课题

为了阐明宇宙再电离，今后有必要进行多方面的研究。井上教授的研究小组正在对距离宇宙再电离时代更近的120亿光年的星系进行电离光子的观测。另外，对更早期的宇宙星系进行探索，并更好地理解它们的性质也是非常重要的。

6、术语说明

※1：nm

纳米。纳（n）表示十亿分之一。

※2：红移

由于宇宙的膨胀导致光波长延伸的现象，另外，还指延伸率。如果将原始波长设为λ，将波长延伸量为Δλ，则红移值为Δλ/λ，通常将其表示为z。此时，观测到从红移值为z的光源中发射的光波长延伸为原来的1+z倍。已知AUDFs01的z=1.4，本次研究中使用UVIT观测到的远紫外线154nm的光如果返回红移（除以2.4），则波长为64nm。

※3 GOODS South

南半球上空天炉座区域的名称。Great Observatories Origins Deep Survey（GOODS）的项目中，使用包含哈勃太空望远镜在内的全球大型望远镜进行了深空探索。在北半球和南半球上空各设定了一个探测区域。

7、论文信息

杂志名：Nature Astronomy

论文名：AstroSat detection of Lyman continuum emission from a z = 1.42 galaxy

作者名（所属机关名）：Kanak Saha（Inter-University Centre forAstronomyand Asstrrophys，India），ShyamN.Tandon（Inter-UniversityCentre forAstronomyand Asstrrophysics，India），Charlotte Simmonds（Observatoirde Genk，Switwerland），Anne Verhamme ve，Switzeroland，Abhishek Paswan（Inter-Un）iversity Centre for Astronomy and Astrophysics, India）, Daniel Schaerer （Observatoire de Genéve, Switzerland）, Michael Rutkowski （Minnesota State University-Mankato, U.S.A.）, Anshuman Borgohain （Tezpur University, India）, Bruce Elmegreen （IBM Research Division, U.S.A.）, Akio K. Inoue （Waseda University, Japan）, Francoise Combes （Observatoire de Paris, France）, Debra Elmegreen （Vassar College, U.S.A.）, Mieke Paalvast （Leiden University, Netherlands）

刊登时间（英国时间）：2020年8月24日（周一）下午4点

刊登时间（日本时间）：2020年8月25日（周二）午夜0点

DOI：https://doi.org/10.1038/s41550-020-1173-5

早稻田大学：成功检测到距地球约90亿光年的遥远星系放射出的强紫外线