88亿光年，对极遥远星系氢原子光谱的探测发出打破纪录

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图示显示探测来自遥远星系的透镜21厘米氢发射信号。资料来源：斯瓦达·帕德西

来自加拿大麦吉尔大学和班加罗尔印度科学研究所（IISc）的天文学家使用浦那巨型米波射电望远镜（GMRT）的数据来探测来自极其遥远星系中原子氢的无线电信号。这种信号被拾取的天文距离是迄今为止最大的。这也是首次确认探测到遥远星系发射的21厘米电波。研究结果已发表在皇家天文学会的月刊上。

氢原子是星系中恒星形成所需的基本燃料。当来自星系周围介质的热电离气体落到星系上时，气体冷却并形成原子氢，然后变成分子氢，最终导致恒星的形成。因此，了解星系在宇宙时间上的演化需要追踪不同宇宙学时代中性气体的演化。

氢原子发射21厘米波长的无线电波，可以使用GMRT等低频射电望远镜进行探测。因此，21厘米的发射是附近和遥远星系中原子气体含量的直接示踪剂。然而，这种无线电信号非常微弱，由于目前的望远镜灵敏度有限，几乎不可能使用目前的望远镜探测到来自遥远星系的发射。

到目前为止，使用21厘米发射探测到的最遥远的星系是红移z=0.376，这相当于41亿年的回溯时间——从探测信号到其原始发射之间经过的时间。（红移表示信号波长的变化，具体取决于物体的位置和运动;z值越大表示物体越远。

使用GMRT数据，麦吉尔大学物理系和Trottier空间研究所的博士后研究员Arnab Chakraborty和IISc物理系副教授Nirupam Roy在红移z=1.29时检测到来自遥远星系中原子氢的无线电信号。

氢原子信号、检测光谱和镜头的图像。图片来源：左中面板：Chakraborty&Roy，GMRT/NCRA-TIFR 右面板：ESA/NASA HST 和 eHST/STScI/CADC

“由于与星系的距离很远，当信号从源头传播到望远镜时，21厘米的发射线已经红移到了48厘米，”Chakraborty说。该团队探测到的信号是从这个星系发出的，当时宇宙只有49亿年的历史;换句话说，这个源头的回溯时间是88亿年。

这种探测是通过一种称为引力透镜的现象实现的，其中光源发出的光由于目标星系和观察者之间存在另一个大质量天体（例如早期类型的椭圆星系）而弯曲，有效地导致信号的“放大”。“在这种特殊情况下，信号的放大倍数约为30倍，使我们能够看到高红移宇宙，”罗伊解释说。

研究小组还观察到，这个特殊星系的原子氢质量几乎是其恒星质量的两倍。这些结果表明，在观测时间适中的类似透镜系统中，在宇宙学距离上观测来自星系的原子气体是可行的。它还为在不久的将来用现有和即将推出的低频射电望远镜探测中性气体的宇宙演化开辟了令人兴奋的新可能性。

NCRA中心主任Yashwant Gupta说：“检测遥远宇宙排放中的中性氢极具挑战性，一直是GMRT的关键科学目标之一。我们对GMRT的这一新的突破性结果感到高兴，并希望将来能够得到证实和改进。

原标题：《88亿光年！对极遥远星系氢原子光谱的探测发出打破纪录》

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