123亿年前，一束紫光撕开宇宙迷雾
123亿年前，一束紫光撕开宇宙迷雾
137亿年前，我们的宇宙诞生于大爆炸。最初的宇宙在某个阶段后充斥着大量的氢和氦原子，这些中性原子会强烈吸收高能紫外光子，如同厚重浓雾遮挡光线，让我们难以直接观测这段遥远宇宙。
后来，在引力作用下，约在宇宙年龄2亿年前后，第一代恒星和星系出现，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，把星系际气体转化为电离的等离子体，宇宙才终于清晰起来。
这个阶段是一场名为“宇宙再电离”的宏大相变过程，发生于宇宙年龄约2亿到10亿年间，即婴幼儿至少年宇宙时期，它昭示着宇宙“黑暗时代”的终结和宇宙黎明的开端。它在宇宙年龄10亿年前后结束，自此至今我们的宇宙均保持着气体整体呈现电离的状态。然而在这个宇宙再电离阶段里，关键问题始终成谜：“电离”光子如何逃出星系？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，距宇宙再电离的落幕仅一步之遥。这份来自少年宇宙的“加密电报”，正在被科学家们缓缓解读。近日，相关研究结果发表于《天体物理学杂志通讯》。
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。红移，这个由宇宙膨胀导致的现象，既是距离的标尺，也是时间的镜像。一个星系的红移越高，意味着它离我们越遥远，我们看到的也是它在宇宙早期的模样。目前科学家们对能产生莱曼连续辐射星系的探索已经覆盖到了近邻宇宙和宇宙正午时期，正在向宇宙早期迈进。
之前的探索记录在宇宙学红移4，对应的宇宙年龄在15.6亿年，正是宇宙青少年时期。此时的宇宙再电离过程虽然“刚”结束不久，但理论预言，此时期的星系际空间还是有不高于1%的氢依然是中性氢，依然会强烈吸收莱曼连续辐射，使得对更高红移的莱曼电离光子的探测几乎不可能。
直到2024年，当时还是上海天文台博士生的朱帅儒，决定探索这片几乎不可能的区域。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，之前国外的研究者普遍认为，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》采访时回忆道。
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
但他没有轻信。利用欧洲南方天文台甚大望远镜上MUSE仪器发布的公共数据，他像侦探一样筛查着哈勃超深场——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。筛查的结果，指向了LCEz4-M1。
然而，挑战随即而来。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”处一个看似平淡无奇的年老星系。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。我们发现，公开星表中部分HST波段的流量测量偏低，这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。
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。对方是来自美国的空间望远镜科学研究所（STScI）的团队，这个机构堪称HST的美国国家队。
故事充满了悬念。“我们将论文提前投放到arXiv预印本网站上，没想到放上去第三天，就有另一篇针对同一个星系的研究文章也出现在arXiv上。当时确实很意外，我们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。”他坦言，“对手”从不同角度介绍自己的工作，正好进一步印证了这个星系的重要性。
审稿过程比预期漫长。第一轮审稿意见共六条，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。“那时候论文和毕业答辩都压在一起，每个节点都记得特别清楚。”好在文章最终在5月底顺利收到接收通知，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。”
对于这场跨越大洋的学术竞速，两位科研人员都看得很淡。郑振亚说：“天文本就是国际合作很广泛的学科，大家都是在同一片天空下，研究同一片星空，有竞争很正常，但我们以后需要多发展一些自己的贡献。”
“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，这个星系的莱曼连续辐射逃逸率非常高，大约70%的电离光子成功“逃逸”了出来。朱帅儒解释道，它的发射线特别微弱。“审稿人之前也质疑我们这一点，为什么在别的星系样本里发现了这么多相关性，你们这个却基本看不到？”
团队的解释是，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，可能正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。“这个结构很像是宇宙早期电离泡泡里的那种过密区。”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的窗口。
而这项发现的意义，更在于指向未来。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”。