近日，中國科學院上海天文臺“早期宇宙與高紅移星系”研究團隊在《天體物理學雜志通訊》（Astrophysical Journal Letters）上發表重要研究成果¹，系統分析了23個紅移3<z<4.5的萊曼連續輻射（Lyman Continuum，LyC）星系的形態學性質。本研究為該研究團隊關于LyC星系的系列研究成果之一，繼LyC輻射偏離星系中心現象研究以及LyC星系的恒星形成性質研究之后²，本研究進一步對這些星系的形態和結構進行了詳細分析。基于哈勃太空望遠鏡（HST）和詹姆斯·韋布太空望遠鏡（JWST）的高分辨率觀測數據，本研究揭示了星系結構與LyC光子逃逸之間的密切關系，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。

本研究首次系統評估了高紅移LyC星系的并合星系比例。結果顯示，23個樣本中有20個存在多個成分或伴星結構，表現出顯著的并合特征，并合星系比例高達約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出了并合星系的特征。

通過進一步檢查這些星系的恒星形成率-恒星質量的關系可以發現，所有位于恒星形成主序上的LyC星系均為并合星系，而個別未展現并合特征的LyC星系則均為星暴星系（starbursts），表現出更劇烈的恒星形成活動。這一趨勢同樣出現在低紅移（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。兩類物理過程不僅能夠驅動LyC光子的產生，也通過擾動氣體分布、打開低柱密度通道等方式增強LyC光子的逃逸概率。

此外，研究團隊還測量了這批高紅移LyC星系的有效尺寸，結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展。進一步計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。這一結果提示，高恒星形成率面密度可能是LyC光子成功逃逸的關鍵物理條件之一。

圖2: 高紅移LyC星系的尺寸測量結果，可以發現其比低紅移的LyC星系尺寸要相對延展。

“我們發現LyC星系的形態特征與其LyC光子的逃逸行為之間存在緊密關聯，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星系形態學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構與活動。這些結果不僅為再電離過程提供了新的證據，也為下一代深空觀測項目提供了重要參考。” 他進一步強調：“未來即將發射的中國空間站望遠鏡（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發現更多LyC星系，從而將這類研究從小天區小樣本研究推進到大天區大樣本統計研究階段。”

該工作得到了科技部重點研發專項、國家自然科學基金委、中智天文合作項目、中國空間站項目、上海市自然科學基金等項目的支持。

論文鏈接：

1. 論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adc125
2. 團隊之前在LyC星系領域工作的新聞報道：https://shao.cas.cn/2020Ver/xwdt/kyjz/202411/t20241127_7447431.html

科學聯系人：

鄭振亞：zhengzy@shao.ac.cn

朱帥儒：shuairuz@shao.ac.cn