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近日，中國科學(xué)院上海天文臺“早期宇宙與高紅移星系”研究團(tuán)隊(duì)在《天體物理學(xué)雜志通訊》（Astrophysical Journal Letters）上發(fā)表重要研究成果¹，系統(tǒng)分析了23個(gè)紅移3<z<4.5的萊曼連續(xù)輻射（Lyman Continuum，LyC）星系的形態(tài)學(xué)性質(zhì)。本研究為該研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于LyC星系的系列研究成果之一，繼LyC輻射偏離星系中心現(xiàn)象研究以及LyC星系的恒星形成性質(zhì)研究之后²，本研究進(jìn)一步對這些星系的形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。基于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）和詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）的高分辨率觀測數(shù)據(jù)，本研究揭示了星系結(jié)構(gòu)與LyC光子逃逸之間的密切關(guān)系，為理解星系在宇宙再電離過程中的作用提供了新的觀測線索。

本研究首次系統(tǒng)評估了高紅移LyC星系的并合星系比例。結(jié)果顯示，23個(gè)樣本中有20個(gè)存在多個(gè)成分或伴星結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出顯著的并合特征，并合星系比例高達(dá)約86%，而在以往對同等或更高紅移的普通星系研究中，這一比例通常低于50%。即便采用非參數(shù)方法（可能低估部分并合事件），并合比例仍顯著偏高。

圖1: LyC星系的高分辨率圖像（2“x2”尺寸），可以直接看到大部分星系都表現(xiàn)出了并合星系的特征。

通過進(jìn)一步檢查這些星系的恒星形成率-恒星質(zhì)量的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，所有位于恒星形成主序上的LyC星系均為并合星系，而個(gè)別未展現(xiàn)并合特征的LyC星系則均為星暴星系（starbursts），表現(xiàn)出更劇烈的恒星形成活動。這一趨勢同樣出現(xiàn)在低紅移（z~0.3）的LyC星系中，表明無論在宇宙早期還是后期，LyC光子的逃逸都與星暴或星系并合過程密切相關(guān)。兩類物理過程不僅能夠驅(qū)動LyC光子的產(chǎn)生，也通過擾動氣體分布、打開低柱密度通道等方式增強(qiáng)LyC光子的逃逸概率。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還測量了這批高紅移LyC星系的有效尺寸，結(jié)果表明這些星系相較于低紅移LyC星系和高紅移普通星系更為擴(kuò)展。進(jìn)一步計(jì)算的恒星形成率面密度表明，這些星系在單位面積的恒星形成活動普遍高于同紅移的星系樣本。這一結(jié)果提示，高恒星形成率面密度可能是LyC光子成功逃逸的關(guān)鍵物理?xiàng)l件之一。

圖2: 高紅移LyC星系的尺寸測量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)其比低紅移的LyC星系尺寸要相對延展。

“我們發(fā)現(xiàn)LyC星系的形態(tài)特征與其LyC光子的逃逸行為之間存在緊密關(guān)聯(lián)，并合過程或劇烈的恒星形成活動都有可能為LyC光子的逃逸創(chuàng)造通道。”論文第一作者、博士研究生朱帥儒表示，“這是目前對高紅移LyC星系形態(tài)學(xué)特征最全面的一次研究，有助于我們理解星系在宇宙早期的演化角色。”

論文通訊作者，中國科學(xué)院上海天文臺鄭振亞研究員指出：“JWST的高分辨率圖像讓我們能夠更清楚地看見這些星系的結(jié)構(gòu)與活動。這些結(jié)果不僅為再電離過程提供了新的證據(jù)，也為下一代深空觀測項(xiàng)目提供了重要參考。” 他進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：“未來即將發(fā)射的中國空間站望遠(yuǎn)鏡（CSST）將配備多通道成像儀，在紫外波段具有更深的觀測能力和更大的天空覆蓋范圍。我們期待通過CSST發(fā)現(xiàn)更多LyC星系，從而將這類研究從小天區(qū)小樣本研究推進(jìn)到大天區(qū)大樣本統(tǒng)計(jì)研究階段。”

該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、中智天文合作項(xiàng)目、中國空間站項(xiàng)目、上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

1. 論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adc125
2. 團(tuán)隊(duì)之前在LyC星系領(lǐng)域工作的新聞報(bào)道：https://shao.cas.cn/2020Ver/xwdt/kyjz/202411/t20241127_7447431.html

科學(xué)聯(lián)系人：

鄭振亞：zhengzy@shao.ac.cn

朱帥儒：shuairuz@shao.ac.cn