他们解读的123亿年前宇宙“加密电报”，都说了啥？

文 ｜ 《中国科学报》 记者 张晴丹

137亿年前，宇宙诞生于大爆炸。最初的宇宙在某个阶段充斥着大量氢原子和氦原子，这些中性原子会强烈吸收高能紫外光子，形成厚重“浓雾”遮蔽光线，致使人类难以直接观测这一遥远的宇宙阶段。

郑振亚在2025年11月的CSST早期科学第三次研讨会上介绍MCI的早期科学准备情况。

后来，在引力作用下，约在宇宙年龄2亿年时，第一代恒星与星系逐步形成。初生的恒星和星系释放出强劲的莱曼连续辐射光子（高能紫外光子，又称电离光子）。这些电离光子如利剑般劈开迷雾，逐步剥离中性氢原子的电子，将星系际气体转化为电离等离子体，宇宙自此终于清晰起来。

这个阶段是一场名为“宇宙再电离”的宏大相变过程，发生于宇宙年龄2亿到10亿年间，即婴幼儿至少年宇宙时期，昭示着宇宙结束“黑暗”、开启“黎明”。这一过程在宇宙年龄10亿年前后结束，自此至今，宇宙气体仍整体维持电离状态。

令人不解的是，在宇宙再电离阶段，电离光子是如何逃出星系的，又是谁主导了这场变革？

如今，中国科学院上海天文台（以下简称上海天文台）团队在星海中捕捉到一缕来自123亿年前的微光。其来源LCEz4-M1，是目前已知最遥远的莱曼连续辐射星系，距宇宙再电离结束仅一步之遥。这份来自少年宇宙的“加密电报”正被科学家逐步解读。近日，相关研究结果发表于《天体物理学杂志快报》。

2026年5月6日朱帅儒博士答辩会后与导师郑振亚合影。 受访者供图

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突破探索的边界

长久以来，直接探测高红移星系的莱曼连续辐射，一直是观测天文学中的一道难题。由宇宙膨胀导致的红移现象既是距离的标尺，也是时间的镜像。一个星系的红移越高，意味着它离地球越远，人类看到的也是它在宇宙早期的模样。目前，科学家对能产生莱曼连续辐射星系的探索已覆盖到近邻宇宙和宇宙正午时期，正持续向宇宙早期推进。

之前的探索记录定格在宇宙学红移4，对应的宇宙年龄为15.6亿年，处于宇宙青少年时期。彼时宇宙再电离过程虽然刚结束不久，但星系际空间还有不高于1%的中性氢，依然会强烈吸收莱曼连续辐射，使得科学家几乎无法探测更高红移的莱曼电离光子。

直到2024年，当时还是上海天文台博士生的朱帅儒，决定探索这片观测禁区。他将目光投向比传统搜寻范围更红的波段，去突破探索边界。“这类电离信号极易被中性气体吸收，之前国外研究者普遍认为，红移4以上基本就看不见了。”论文第一作者朱帅儒在接受《中国科学报》采访时回忆说。

不过，他没有轻信这些言论。利用欧洲南方天文台甚大望远镜MUSE仪器的公开数据，他像侦探一样筛查哈勃超深场，这片天区拥有人类积累的最深邃、最丰富的多波段观测资料。筛查结果指向了LCEz4-M1。

然而，挑战随之而来。一个极具影响力的国外巡天团队曾基于测光数据将这个星系判定为红移仅0.4左右的近邻年老星系，甚至有成员在访问上海天文台时，友善地提醒研究团队小心误判。

这并未让朱帅儒气馁。“我们检查了哈勃空间望远镜（HST）和詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的数据，发现公开星表中部分HST波段的流量测量偏低，改变了这个星系的整体能谱形状，从而使测光红移拟合倾向于低红移解。”朱帅儒说。

最终，通过MUSE光谱中清晰的莱曼阿尔法发射线，以及重新测量的相关波段的流量，研究团队一锤定音，确认其红移为4.444，距离宇宙再电离结束仅约4.3亿年，一举刷新了此前保持多年的红移4.0的纪录。

该发现本身就极具戏剧性。当团队还沉浸在喜悦中时，一场始料未及的“竞速”悄然上演。

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一场出乎意料的科学“竞速”

正当上海天文台团队准备将成果公之于众时，一个强大的对手也盯上了同一个星系。对方团队来自美国空间望远镜科学研究所（STScI），该机构堪称HST的美国国家队。

“我们将论文提前投放到arXiv预印本网站上后，第三天就出现了另一篇针对同一个星系的研究文章。当时我们感到十分意外，才知道针对同一个源，有很强劲的竞争对手。”论文通讯作者、上海天文台研究员郑振亚告诉《中国科学报》。

这是一场出乎意料的科学“竞速”。“虽然都是汇报同一个源，但思路不太一样。”郑振亚说，“我们专注于证明莱曼连续辐射的信号是真的，红移准确在4.444，然后对星系性质做了仔细分析。他们更多关注光谱方面的一些细节，从谱线性质评估电离光子逃逸可能。”

《天体物理学杂志快报》的审稿过程比预期漫长。第一轮审稿意见共6条，涉及科学问题的讨论与补充，团队逐一修改回复。第二轮审稿意见不多，但周期却比正常情况拉得更长。朱帅儒当时正值博士毕业答辩前夕，对时间的敏感度比平时更高。“那时论文和毕业答辩都压在一起，每个节点都记得特别清楚。”好在5月底顺利收到论文接收通知，赶上了他毕业申请的时间窗口。

朱帅儒表示：“在红移大于4的宇宙中直接探测莱曼连续辐射非常困难。LCEz4-M1的重要性不仅在于它的红移很高，也在于我们同时获得了HST图像和MUSE光谱两组独立证据，使我们能够从多个观测角度对这一候选体进行交叉验证。”

对于这类跨越大洋的学术竞速，研究人员早已习惯。郑振亚说：“天文本就是国际合作很广泛的学科，大家都在同一片天空下，研究同一片星空，有竞争很正常，但我们以后要多作出一些贡献。”

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“自己的望远镜”与更远的黎明

这场风波平息后，科学的聚光灯真正打在了LCEz4-M1本身。它的发现为何如此重要？因为它不只是一个纪录，更是一个独特的“物理实验室”。

团队估算，该星系的莱曼连续辐射逃逸率非常高，约70%的电离光子成功“逃逸”。朱帅儒解释道，它的发射线特别微弱。正因为逃逸率太高，没有多余的光子去驱动这些发射线的辐射。这种高逃逸天体可能是主导宇宙再电离的关键少数，只要有3%到5%这样的星系，就可能贡献出完成宇宙电离所需的全部光子。

此外，他们还发现这个星系身处一个“过密区域”，周围环绕着许多伴星系，如同宇宙城市群中的核心。“这个结构很像宇宙早期电离泡泡里的过密区。”朱帅儒说，“这是一个非常好的样本，让我们去了解星系环境对电离光子逃逸有什么影响。”这为后续研究打开了一扇新窗口。

而这项发现的意义更指向未来。郑振亚还有另一重身份——中国空间站巡天空间望远镜（CSST）上多通道成像仪（MCI）载荷的责任科学家。这台望远镜，正是中国人自己的“太空之眼”。

郑振亚从2018年开始就深度参与这一项目。“我们上海天文台跟中国科学院上海技术物理研究所一起，负责CSST首批5个主要载荷中的两个。我这边负责MCI，我们台另一位老师负责积分视场光谱仪。”他介绍道，这个望远镜从2013年正式立项，而他加入至今已经8年多。

谈及参与研制的感受，郑振亚表示，这是一个极具挑战性的过程。“载荷的研制涉及光学设计、探测器选型、结构热控、电子学等多个环节，每个环节都需要反复论证和测试。”他提到，MCI在紫外波段的观测能力是这项研究的关键，“因为莱曼连续辐射本身就在紫外波段，我们希望在CSST上把紫外深场巡天的能力做到全世界最优”。

这台设备的巡天相机视场是HST的300倍。“哈勃在天上运行了30多年，只看了全天约1%的天区。CSST上线之后10年内能看到40%的天区。在空间光学和近紫外波段，我们更有优势。”郑振亚说，“我们希望在CSST上开展更深入的紫外波段研究，肯定会发现更多这类星系。所以红移的纪录、样本的数量，很可能就在我们自己的望远镜上取得重大突破。”

“这一类源非常稀少，高红移处可能只有十几个。但未来有了CSST这样大视场的紫外巡天，我们就有可能从个例推进到大样本统计，真正回答宇宙再电离到底是由哪类星系驱动的。”朱帅儒也表达了相似的想法。

123亿年前那个星系发出的电离光子，经历漫长的宇宙旅途终于抵达了地球。而人类才刚刚开始读懂它带来的信息。未来，当CSST升空之后，更多“加密电报”将被发现，宇宙黎明的那层薄雾终将散开。

相关论文信息：

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

《中国科学报》 (2026-07-22 第1版 要闻)

文章转载自"中国科学报"公众号