他們解讀的123億年前宇宙“加密電報”，都說了啥？

文 ｜ 《中國科學報》 記者 張晴丹

137億年前，宇宙誕生于大爆炸。最初的宇宙在某個階段充斥著大量氫原子和氦原子，這些中性原子會強烈吸收高能紫外光子，形成厚重“濃霧”遮蔽光線，致使人類難以直接觀測這一遙遠的宇宙階段。

鄭振亞在2025年11月的CSST早期科學第三次研討會上介紹MCI的早期科學準備情況。

后來，在引力作用下，約在宇宙年齡2億年時，第一代恒星與星系逐步形成。初生的恒星和星系釋放出強勁的萊曼連續輻射光子（高能紫外光子，又稱電離光子）。這些電離光子如利劍般劈開迷霧，逐步剝離中性氫原子的電子，將星系際氣體轉化為電離等離子體，宇宙自此終于清晰起來。

這個階段是一場名為“宇宙再電離”的宏大相變過程，發生于宇宙年齡2億到10億年間，即嬰幼兒至少年宇宙時期，昭示著宇宙結束“黑暗”、開啟“黎明”。這一過程在宇宙年齡10億年前后結束，自此至今，宇宙氣體仍整體維持電離狀態。

令人不解的是，在宇宙再電離階段，電離光子是如何逃出星系的，又是誰主導了這場變革？

如今，中國科學院上海天文臺（以下簡稱上海天文臺）團隊在星海中捕捉到一縷來自123億年前的微光。其來源LCEz4-M1，是目前已知最遙遠的萊曼連續輻射星系，距宇宙再電離結束僅一步之遙。這份來自少年宇宙的“加密電報”正被科學家逐步解讀。近日，相關研究結果發表于《天體物理學雜志快報》。

2026年5月6日朱帥儒博士答辯會后與導師鄭振亞合影。 受訪者供圖

01

突破探索的邊界

長久以來，直接探測高紅移星系的萊曼連續輻射，一直是觀測天文學中的一道難題。由宇宙膨脹導致的紅移現象既是距離的標尺，也是時間的鏡像。一個星系的紅移越高，意味著它離地球越遠，人類看到的也是它在宇宙早期的模樣。目前，科學家對能產生萊曼連續輻射星系的探索已覆蓋到近鄰宇宙和宇宙正午時期，正持續向宇宙早期推進。

之前的探索記錄定格在宇宙學紅移4，對應的宇宙年齡為15.6億年，處于宇宙青少年時期。彼時宇宙再電離過程雖然剛結束不久，但星系際空間還有不高于1%的中性氫，依然會強烈吸收萊曼連續輻射，使得科學家幾乎無法探測更高紅移的萊曼電離光子。

直到2024年，當時還是上海天文臺博士生的朱帥儒，決定探索這片觀測禁區。他將目光投向比傳統搜尋范圍更紅的波段，去突破探索邊界。“這類電離信號極易被中性氣體吸收，之前國外研究者普遍認為，紅移4以上基本就看不見了。”論文第一作者朱帥儒在接受《中國科學報》采訪時回憶說。

不過，他沒有輕信這些言論。利用歐洲南方天文臺甚大望遠鏡MUSE儀器的公開數據，他像偵探一樣篩查哈勃超深場，這片天區擁有人類積累的最深邃、最豐富的多波段觀測資料。篩查結果指向了LCEz4-M1。

然而，挑戰隨之而來。一個極具影響力的國外巡天團隊曾基于測光數據將這個星系判定為紅移僅0.4左右的近鄰年老星系，甚至有成員在訪問上海天文臺時，友善地提醒研究團隊小心誤判。

這并未讓朱帥儒氣餒。“我們檢查了哈勃空間望遠鏡（HST）和詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）的數據，發現公開星表中部分HST波段的流量測量偏低，改變了這個星系的整體能譜形狀，從而使測光紅移擬合傾向于低紅移解。”朱帥儒說。

最終，通過MUSE光譜中清晰的萊曼阿爾法發射線，以及重新測量的相關波段的流量，研究團隊一錘定音，確認其紅移為4.444，距離宇宙再電離結束僅約4.3億年，一舉刷新了此前保持多年的紅移4.0的紀錄。

該發現本身就極具戲劇性。當團隊還沉浸在喜悅中時，一場始料未及的“競速”悄然上演。

02

一場出乎意料的科學“競速”

正當上海天文臺團隊準備將成果公之于眾時，一個強大的對手也盯上了同一個星系。對方團隊來自美國空間望遠鏡科學研究所（STScI），該機構堪稱HST的美國國家隊。

“我們將論文提前投放到arXiv預印本網站上后，第三天就出現了另一篇針對同一個星系的研究文章。當時我們感到十分意外，才知道針對同一個源，有很強勁的競爭對手。”論文通訊作者、上海天文臺研究員鄭振亞告訴《中國科學報》。

這是一場出乎意料的科學“競速”。“雖然都是匯報同一個源，但思路不太一樣。”鄭振亞說，“我們專注于證明萊曼連續輻射的信號是真的，紅移準確在4.444，然后對星系性質做了仔細分析。他們更多關注光譜方面的一些細節，從譜線性質評估電離光子逃逸可能。”

《天體物理學雜志快報》的審稿過程比預期漫長。第一輪審稿意見共6條，涉及科學問題的討論與補充，團隊逐一修改回復。第二輪審稿意見不多，但周期卻比正常情況拉得更長。朱帥儒當時正值博士畢業答辯前夕，對時間的敏感度比平時更高。“那時論文和畢業答辯都壓在一起，每個節點都記得特別清楚。”好在5月底順利收到論文接收通知，趕上了他畢業申請的時間窗口。

朱帥儒表示：“在紅移大于4的宇宙中直接探測萊曼連續輻射非常困難。LCEz4-M1的重要性不僅在于它的紅移很高，也在于我們同時獲得了HST圖像和MUSE光譜兩組獨立證據，使我們能夠從多個觀測角度對這一候選體進行交叉驗證。”

對于這類跨越大洋的學術競速，研究人員早已習慣。鄭振亞說：“天文本就是國際合作很廣泛的學科，大家都在同一片天空下，研究同一片星空，有競爭很正常，但我們以后要多作出一些貢獻。”

03

“自己的望遠鏡”與更遠的黎明

這場風波平息后，科學的聚光燈真正打在了LCEz4-M1本身。它的發現為何如此重要？因為它不只是一個紀錄，更是一個獨特的“物理實驗室”。

團隊估算，該星系的萊曼連續輻射逃逸率非常高，約70%的電離光子成功“逃逸”。朱帥儒解釋道，它的發射線特別微弱。正因為逃逸率太高，沒有多余的光子去驅動這些發射線的輻射。這種高逃逸天體可能是主導宇宙再電離的關鍵少數，只要有3%到5%這樣的星系，就可能貢獻出完成宇宙電離所需的全部光子。

此外，他們還發現這個星系身處一個“過密區域”，周圍環繞著許多伴星系，如同宇宙城市群中的核心。“這個結構很像宇宙早期電離泡泡里的過密區。”朱帥儒說，“這是一個非常好的樣本，讓我們去了解星系環境對電離光子逃逸有什么影響。”這為后續研究打開了一扇新窗口。

而這項發現的意義更指向未來。鄭振亞還有另一重身份——中國空間站巡天空間望遠鏡（CSST）上多通道成像儀（MCI）載荷的責任科學家。這臺望遠鏡，正是中國人自己的“太空之眼”。

鄭振亞從2018年開始就深度參與這一項目。“我們上海天文臺跟中國科學院上海技術物理研究所一起，負責CSST首批5個主要載荷中的兩個。我這邊負責MCI，我們臺另一位老師負責積分視場光譜儀。”他介紹道，這個望遠鏡從2013年正式立項，而他加入至今已經8年多。

談及參與研制的感受，鄭振亞表示，這是一個極具挑戰性的過程。“載荷的研制涉及光學設計、探測器選型、結構熱控、電子學等多個環節，每個環節都需要反復論證和測試。”他提到，MCI在紫外波段的觀測能力是這項研究的關鍵，“因為萊曼連續輻射本身就在紫外波段，我們希望在CSST上把紫外深場巡天的能力做到全世界最優”。

這臺設備的巡天相機視場是HST的300倍。“哈勃在天上運行了30多年，只看了全天約1%的天區。CSST上線之后10年內能看到40%的天區。在空間光學和近紫外波段，我們更有優勢。”鄭振亞說，“我們希望在CSST上開展更深入的紫外波段研究，肯定會發現更多這類星系。所以紅移的紀錄、樣本的數量，很可能就在我們自己的望遠鏡上取得重大突破。”

“這一類源非常稀少，高紅移處可能只有十幾個。但未來有了CSST這樣大視場的紫外巡天，我們就有可能從個例推進到大樣本統計，真正回答宇宙再電離到底是由哪類星系驅動的。”朱帥儒也表達了相似的想法。

123億年前那個星系發出的電離光子，經歷漫長的宇宙旅途終于抵達了地球。而人類才剛剛開始讀懂它帶來的信息。未來，當CSST升空之后，更多“加密電報”將被發現，宇宙黎明的那層薄霧終將散開。

相關論文信息：

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae75e1

《中國科學報》 (2026-07-22 第1版 要聞)

文章轉載自"中國科學報"公眾號