探测发现遥远宇宙中的第一代恒星、星系、黑洞对理解天体的形成与演化、宇宙黎明时代等具有极为重要的意义。由于距离极远及宇宙的高速膨胀，这类星系非常暗淡难以观测。因此探测处于宇宙早期的最高红移天体——恒星、星系、类星体，就犹如天文学中的“圣杯”、奥林匹克运动会中的“金牌”，令人趋之若鹜、万众瞩目！

宇宙演化历史（Credit: ESO）

近日，一个由日本东京大学天文学家领衔的国际团队发表文章称探测到一个迄今发现的最高红移的星系（候选体）HD1，其红移量估计高达 z~13.3 ！距离我们远达135亿光年，诞生于宇宙大爆炸后的仅3亿年！（科学文章于4月8日正式发表于《天体物理学 The Astrophysical Journal》杂志）。而之前科学家发现并确认的红移最高的星系是GN-z11（其红移为z~11，见 Oesch et al. 2016, ApJ; Jiang et al. 2021, Nature Astronomy）。

最高红移星系候选体HD1的三色彩图，VISTA望远镜观测（Credit: Harikane et al.）

该研究采用的搜寻极高红移星系的方法为dropout法挑选莱曼截断星系（Lyman Break Galaxies, LBGs）：由于短于氢的莱曼线系限（Lyman limit）912Å 的辐射被星系际中性气体所吸收，造成“莱曼截断”；对于高红移星系(z>6)，截断红移至可见光-近红外波段，可利用“短波波段无探测但长波有”的dropout方法选出此类候选星系。（原理示意可见下图）

dropout方法挑选LBGs原理示意图（图源: R.Ellis 1998）

对于红移z>10的极高红移星系而言，则需利用近红外-中红外波段的观测。如本项研究即采用近红外H波段（波长约1.6微米）dropout方法，利用昴星团望远镜（Subaru）、VISTA望远镜、UK红外望远镜（UKIRT）、斯必泽（Spitzer）空间望远镜观测数据，挑选出了两个红移估计为z~13.3 和 z~12.3的最高红移星系HD1和HD2，但由于尚无光学-红外的光谱谱线证认因此暂时只能称其为候选体（candidates）.

同时，该团队利用建于智利的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）对HD1进行了后随观测，在~238GHz观测频率处探测到一个疑似 [OIII] 88微米的发射线（4σ精度）。若此信号为真，则据此推算的红移值亦~13.3，与利用上述红外观测推测结果一致！

ALMA观测HD1的射电谱—疑似[OIII]发射线局部（图源: Harikane et al. 2022, ApJ）

另外，该团队的合作者也在《MNRAS快报》杂志上同步发表了讨论HD1本质的科学文章（Pacucci et al., 2022, MNRAS Letters, accepted），讨论了该星系究竟是具有很高恒星形成率的星暴星系（starburst galaxy）、还是一个有着中央超大质量黑洞剧烈吸积的类星体（quasar）的问题。若该星系具有极端星暴，或是中央超大质量黑洞有极高的吸积效率（接近或超爱丁顿吸积率），则上述两种情况均有可能，当然尚需进一步的光谱观测证认与研究。

HD1与HD2的红外SED与类星体模板比较（图源: Pacucci et al., 2022, MNRAS Letters）

期待韦布 JWST：目前，该团队已申请获得利用刚刚于去年底发射的韦布空间望远镜（JWST）观测HD1的高精度近红外光谱，以对其进行最终证认与深入研究。若能确认则HD1将成为人类发现的最遥远的天体，对我们理解宇宙早期历史、再电离时代、第一代天体形成等具有重要意义。让我们拭目以待！

宇宙历史与最早的星系（Credit: Harikane et al., NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University)）

-- 相关文章： “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

-- 扩展阅读：

最遥远的恒星（利用引力透镜发现）：Earendel，距离约129亿光年（对应红移z~6.2）；

最遥远的类星体：J0313-1806，红移z~7.642（Wang et al., 2021, ApJL）

-- 更多关于高红移星系的科普介绍可见：https://mp.weixin.qq.com/s/pDIChc7eZd4pjmUyDso4fQ

来源: 山东天文学会