近期，由中國科學(xué)院上海天文臺的鄭振亞研究員領(lǐng)導(dǎo)的中國空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）多通道成像儀團(tuán)隊(duì)及早期宇宙與高紅移星系課題組牽頭，與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)院紫金山天文臺、安慶師范大學(xué)、美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心、華盛頓卡內(nèi)基研究所拉斯坎帕納斯天文臺、智利天主教大學(xué)物理學(xué)院等國內(nèi)外多個研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展深入研究，針對哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）進(jìn)行的窄帶觀測進(jìn)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(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的最深窄帶深空圖像，即The Hubble Deep Hydrogen Alpha Project （HDHα）項(xiàng)目的首批結(jié)果。此外，研究團(tuán)隊(duì)還利用窄帶圖像，結(jié)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(xiàng)研究為GOODS南天深場數(shù)據(jù)集增添了基于哈勃空間望遠(yuǎn)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(guān)成果已于2024年2月13日發(fā)表在《天體物理學(xué)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(guān)重要。在光學(xué)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(qiáng)發(fā)射線。當(dāng)這些經(jīng)過紅移后的強(qiáng)發(fā)射線移動到窄帶濾光片的透過波段時，相對于對應(yīng)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(xué)家通過這種方式獲得了天體的強(qiáng)發(fā)射線信息。自20世紀(jì)90年代中期以來，隨著更先進(jìn)的CCD探測器、更大視場望遠(yuǎn)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(jìn)展。在90年代中期，天文學(xué)家利用窄帶巡天技術(shù)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(yuǎn)鏡進(jìn)行更廣泛、更深入的窄帶巡天，天文學(xué)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(xué)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(rèn)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(xué)和近紅外波段的窄帶巡天多在地面大望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行，在空間上相關(guān)窄帶巡天工作非常少。與地面望遠(yuǎn)鏡相比，空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡（HST）自1990年發(fā)射以來，一直是天文學(xué)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(fù)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(xué)院上海天文臺的鄭振亞研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(jìn)巡天相機(jī)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(xué)價值。然而，自這些數(shù)據(jù)發(fā)布以來，尚未有其他研究團(tuán)隊(duì)對其進(jìn)行系統(tǒng)性處理。

在詳細(xì)檢查這批數(shù)據(jù)后，研究團(tuán)隊(duì)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(nèi)亮源較少，這些窄帶圖像無法直接進(jìn)行對齊去獲得更深的疊加圖像。針對這些特殊情況，研究團(tuán)隊(duì)依托該深場內(nèi)最新最深的HLF深場開展中等亮度源的定位進(jìn)行對齊。為了提高對齊的精確度，團(tuán)隊(duì)將單次曝光的數(shù)據(jù)按照位置偏差進(jìn)行細(xì)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(qiáng)對齊過程的準(zhǔn)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(dá)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(tuán)隊(duì)還對這些數(shù)據(jù)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)深度以及對齊質(zhì)量進(jìn)行了細(xì)致檢查。檢查結(jié)果表明，這些數(shù)據(jù)具有較高的質(zhì)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(shí)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(tuán)隊(duì)利用最終得到的窄帶圖像及已有的基于HST先進(jìn)巡天相機(jī)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(nèi)的發(fā)射線星系進(jìn)行了深入搜尋。經(jīng)過一系列的分析和篩選，研究團(tuán)隊(duì)最終成功識別出了一批包括高紅移萊曼阿爾法星系在內(nèi)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(xué)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(jìn)行更為詳細(xì)的形態(tài)學(xué)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(yuǎn)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(xué)院上海天文臺的鄭振亞研究員是多通道成像儀的責(zé)任科學(xué)家，他表示：“空間望遠(yuǎn)鏡的窄帶觀測將有效補(bǔ)充地面觀測的不足。隨著中國空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡的升空，其搭載的多通道成像儀將開展與哈勃空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡擁有比HST更大的視場，這將使天文學(xué)家能夠以更高效率進(jìn)行窄帶巡天，為相關(guān)的科學(xué)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(yīng)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(tuán)隊(duì)前期基于地面窄帶巡天搜尋研究宇宙再電離的工作：

http://5gsubscribe.com/kjjz2016/201707/t20170712_4832152.html

科學(xué)聯(lián)系人：

朱帥儒，中國科學(xué)院上海天文臺，shuairuz@shao.ac.cn

鄭振亞，中國科學(xué)院上海天文臺，zhengzy@shao.ac.cn