近期，由中國科學院上海天文臺的鄭振亞研究員領導的中國空間站巡天空間望遠鏡（CSST）多通道成像儀團隊及早期宇宙與高紅移星系課題組牽頭，與中國科學技術大學、北京大學、中國科學院紫金山天文臺、安慶師范大學、美國宇航局戈達德太空飛行中心、華盛頓卡內基研究所拉斯坎帕納斯天文臺、智利天主教大學物理學院等國內外多個研究機構聯(lián)合開展深入研究，針對哈勃空間望遠鏡（HST）進行的窄帶觀測進行全面的統(tǒng)計分析，成功完成了對HST最深的窄帶深場——位于著名的GOODS南天深場（GOODS-South）的窄帶F658N的深度觀測數(shù)據(jù)的處理，發(fā)布了基于哈勃空間望遠鏡數(shù)據(jù)的最深窄帶深空圖像，即The Hubble Deep Hydrogen Alpha Project （HDHα）項目的首批結果。此外，研究團隊還利用窄帶圖像，結合現(xiàn)有的寬帶圖像和光譜數(shù)據(jù)，成功搜尋到了一系列發(fā)射線星系。這項研究為GOODS南天深場數(shù)據(jù)集增添了基于哈勃空間望遠鏡的首個窄帶深場圖像，使得該天區(qū)基于HST分辨率下星系的發(fā)射線輻射研究成為可能，提升了該天區(qū)的科研價值。相關成果已于2024年2月13日發(fā)表在《天體物理學報增刊系列》（The Astrophysical Journal Supplement Series）上。

高紅移發(fā)射線星系的搜尋對于理解早期宇宙、星系的形成與演化至關重要。在光學波段中，窄帶巡天是搜尋和研究這些星系的一種有效方式，其核心在于使用窄帶圖像來獲取經(jīng)紅移后的特定波長的強發(fā)射線。當這些經(jīng)過紅移后的強發(fā)射線移動到窄帶濾光片的透過波段時，相對于對應寬帶圖像，這些發(fā)射線會在窄帶圖像中產(chǎn)生明顯的流量密度增加。天文學家通過這種方式獲得了天體的強發(fā)射線信息。自20世紀90年代中期以來，隨著更先進的CCD探測器、更大視場望遠鏡和更優(yōu)化的窄帶濾光片的出現(xiàn)，窄帶巡天方法取得了顯著進展。在90年代中期，天文學家利用窄帶巡天技術首次發(fā)現(xiàn)了紅移超過4的發(fā)射線星系。隨后，通過使用大型地面望遠鏡進行更廣泛、更深入的窄帶巡天，天文學家發(fā)現(xiàn)了大量的高紅移發(fā)射線星系及其候選體，甚至深入到宇宙再電離時期（宇宙學紅移大約在6以上，宇宙年齡小于約10億年的時期，是第一代星系和黑洞的形成演化時期，詳見注釋[1]）。這些發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對高紅移宇宙的認識，還為深入研究宇宙的早期狀態(tài)及其演化提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。

然而，光學和近紅外波段的窄帶巡天多在地面大望遠鏡上進行，在空間上相關窄帶巡天工作非常少。與地面望遠鏡相比，空間望遠鏡由于位于地球大氣層之外，觀測活動不受大氣干擾，因此能夠提供高分辨率的數(shù)據(jù)。如著名的哈勃空間望遠鏡（HST）自1990年發(fā)射以來，一直是天文學研究的利器。然而，HST已經(jīng)發(fā)布了數(shù)個著名的寬帶深場巡天，比如XDF、GOODS、HFF、CANDELS等，其尚未有窄帶深場巡天數(shù)據(jù)發(fā)布，其主要原因是HST的窄帶數(shù)據(jù)的處理和分析面臨著巨大的挑戰(zhàn)。由于這些數(shù)據(jù)的處理復雜性，自HST升空以來，雖然已經(jīng)積累了大量的窄帶觀測數(shù)據(jù)，但基于HST窄帶觀測的數(shù)據(jù)尚未有系統(tǒng)性釋放，基于其對高紅移星系及類星體研究也非常少。

由中國科學院上海天文臺的鄭振亞研究員領導的研究團隊對HST的大量窄帶觀測數(shù)據(jù)做了系統(tǒng)性分析，采用基于球面的同緯度等面積分層像素化算法，對HST自1999年以來四個主要成像儀器的窄帶觀測數(shù)據(jù)進行了全面統(tǒng)計。研究人員發(fā)現(xiàn)，在著名的GOODS南天深場中，HST利用先進巡天相機的氫-阿爾法（Hα濾光片，F(xiàn)658N）濾光片積累了近20萬秒的窄帶觀測。這些觀測數(shù)據(jù)收集于2009年，包含了HST的72軌的深度觀測，具有極高的科學價值。然而，自這些數(shù)據(jù)發(fā)布以來，尚未有其他研究團隊對其進行系統(tǒng)性處理。

在詳細檢查這批數(shù)據(jù)后，研究團隊發(fā)現(xiàn)這些窄帶數(shù)據(jù)圖像受到了過多宇宙線的影響。此外，由于GOODS深場內亮源較少，這些窄帶圖像無法直接進行對齊去獲得更深的疊加圖像。針對這些特殊情況，研究團隊依托該深場內最新最深的HLF深場開展中等亮度源的定位進行對齊。為了提高對齊的精確度，團隊將單次曝光的數(shù)據(jù)按照位置偏差進行細致分組，這些分組數(shù)據(jù)被組合成一個深度更高的中間圖像，以此增強對齊過程的準確性和效果，然后合并中間圖像獲得最終的圖像。處理后的窄帶深場觀測總曝光時間達到19.6萬秒，有效觀測面積為76平方角分，其中最深處的累計曝光時間超過6萬秒。隨后，研究團隊還對這些數(shù)據(jù)的點擴散函數(shù)質量、數(shù)據(jù)深度以及對齊質量進行了細致檢查。檢查結果表明，這些數(shù)據(jù)具有較高的質量，為未來的天文研究提供了新的資源（圖1）。

圖1，HDHα圖像（窄帶圖像）的天區(qū)覆蓋范圍，圖像灰度表示不同區(qū)域曝光時間的深淺。實線表示其他寬波段巡天的覆蓋天區(qū)范圍，虛線則表示其他光譜巡天的覆蓋天區(qū)范圍。

研究團隊利用最終得到的窄帶圖像及已有的基于HST先進巡天相機的寬波段圖像，制作了一個基于窄帶圖像的多波段星表。依托這個星表，他們對天區(qū)內的發(fā)射線星系進行了深入搜尋。經(jīng)過一系列的分析和篩選，研究團隊最終成功識別出了一批包括高紅移萊曼阿爾法星系在內的發(fā)射線星系樣本（圖2）。目前，針對這些高紅移萊曼阿爾法星系的后續(xù)研究正在積極開展中。本研究的第一作者、中國科學院上海天文臺的博士生朱帥儒展望道：“我們打算利用空間窄帶觀測數(shù)據(jù)的高分辨率優(yōu)勢，對這些發(fā)射線星系，尤其是高紅移星系進行更為詳細的形態(tài)學研究。此外，我們還計劃深入探究這些發(fā)射線星系的電離譜特性，以及高紅移萊曼阿爾法發(fā)射線的光度函數(shù)等?！?/p>

中國空間站巡天空間望遠鏡（CSST）搭載的多通道成像儀也可開展窄帶巡天工作。本研究的通訊作者、中國科學院上海天文臺的鄭振亞研究員是多通道成像儀的責任科學家，他表示：“空間望遠鏡的窄帶觀測將有效補充地面觀測的不足。隨著中國空間站巡天空間望遠鏡的升空，其搭載的多通道成像儀將開展與哈勃空間望遠鏡（HST）類似的窄帶巡天工作。”鄭振亞還指出，CSST搭載的這種多通道成像儀能在三個不同的通道同時成像，利用寬帶數(shù)據(jù)來輔助對齊窄帶圖像，從而大幅簡化了數(shù)據(jù)處理過程，且更重要的是，我國的空間站巡天望遠鏡擁有比HST更大的視場，這將使天文學家能夠以更高效率進行窄帶巡天，為相關的科學研究提供更為豐富的數(shù)據(jù)資源。

圖2，基于窄帶圖像搜尋得到紅移4.4萊曼阿爾法星系的多波段縮略圖以及相應的光譜。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/ad148b

注釋：

[1] 早期宇宙與高紅移星系研究團隊前期基于地面窄帶巡天搜尋研究宇宙再電離的工作：

http://92gx.cn/kjjz2016/201707/t20170712_4832152.html

科學聯(lián)系人：

朱帥儒，中國科學院上海天文臺，shuairuz@shao.ac.cn

鄭振亞，中國科學院上海天文臺，zhengzy@shao.ac.cn