伽马射线暴揭示使宇宙再电离的微弱星系

精选图片： 长伽马射线暴及其宿主星系的艺术想象图；来源：NASA/Swift/Cruz deWilde

宇宙学中最持久的问题之一是什么导致了宇宙的再电离,,这一时代中，中性氢气被强烈的紫外线辐射剥离了电子，使光首次能够在太空中自由传播。恒星形成星系是主要的候选者，但天文学家一直难以确定是最明亮、最容易观测的星系完成了这项工作，还是一大群微弱、几乎无法探测的星系负有责任。

发表在《天体物理杂志通讯》上的一项新研究为微弱星系假说提供了迄今为止最有力的证据。利用NASA斯威夫特卫星二十年的数据，一个天文学家团队表明，长伽马射线暴（LGRB）可以作为宇宙时间尺度上恒星形成的无偏追踪器，揭示出即使詹姆斯·韦伯太空望远镜也无法看到的星系。

长伽马射线暴是宇宙中最明亮的电磁事件，产生于大质量恒星直接坍缩成黑洞时。由于它们极其明亮，无论其宿主星系的大小或亮度如何，都可以在宇宙距离上被探测到。这使它们成为测量明亮和微弱星系中恒星形成活动的理想统计工具。

由帕多瓦大学的Jing-Meng Hao领导，包括中国科学院、INAF和比萨高等师范学校研究人员在内的团队，分析了斯威夫特探测到的红移范围在4到10之间的LGRB，这对应于宇宙年龄在5亿年到15亿年之间的时期。

关键结果是：从LGRB推断出的宇宙恒星形成率密度可以自然地解释观测到的氢再电离状态，无需对星系产生电离光子的效率或这些光子逃逸的容易程度做出极端假设。

来自JWST和哈勃太空望远镜的标准深场巡天只能探测到超过一定亮度阈值的星系。LGRB方法完全绕过了这一限制，因为伽马射线暴会穿透其宿主星系发光。

根据LGRB推断出的恒星形成率，团队计算了负责再电离的微弱星系的极限星等。在红移约6（大爆炸后约10亿年）时，最暗的贡献者星等在-14到-15之间，大约比银河系暗100倍。在红移10（大爆炸后5亿年）时，这些星等下降到-10到-11之间，比任何直接观测到的星系都要暗。

这是独立的证据，表明在红移大于6的区域存在大量微弱星系，它们共同提供了再电离宇宙所需的电离光子。这一结果补充了JWST的深场巡天,,后者可以看到最明亮的早期星系,,通过填补生活在探测阈值以下的星系种群。

该论文已被《天体物理杂志通讯》接受发表，并可在arXiv上以参考编号2607.07610获取。

婷翻译