天文学家利用詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）发现了一个来自大爆炸后仅 4.5 亿年的非凡星系，其结构呈现出“裸露”状态。该星系被称为 U37126，是一种罕见的星暴星系，其近 100% 的电离辐射正直接泄露到宇宙空洞中。这一发现为研究早期宇宙如何清除原始迷雾、有效结束宇宙黑暗时代的机制提供了难得的一瞥。
什么是 ISM 裸露星系？
ISM 裸露星系（ISM-naked galaxy）是指被剥离了星际介质（ISM）的恒星系统。星际介质通常是包裹在恒星周围并俘获电离辐射的气体和尘埃库。在 U37126 的案例中，研究人员发现该星系剧烈的内部活动可能排出了其气体，导致几乎所有的光线都能逃逸到星系际空间。这种状态代表了星系演化中一个极端的、短寿命的阶段，此时星系本质上是“赤裸”的。
由 Abdurro'uf 及其同事（包括 M. Castellano 和 P. G. Pérez-González）领导的研究小组，在 PRISMS 巡天中将 U37126 确定为一个独特的案例研究。通过分析深度光谱数据，团队观察到该星系缺乏标准的星云气体光谱特征。通常情况下，年轻恒星被氢云笼罩，这些氢云会将紫外光重新处理成特定的发射线；然而，U37126 显示出极蓝的紫外连续谱斜率（beta ~ -2.9），这表明已经没有气体可以干扰其大质量年轻恒星发出的光了。
U37126 的物理性质既紧凑又极端。它的半径仅为 61 秒差距，虽然体型异常微小，但生产力极高，其恒星形成率面密度约为每年每平方千秒差距 400 个太阳质量。这种高密度表明发生了一次大规模的“星暴”事件，产生了足够的反馈能量，从而将剩余的星际气体物理性地吹出了星系核心。这种“ISM 裸露”状态使 U37126 成为理解第一批星系如何与其环境相互作用的关键缺失环节。
詹姆斯·韦布空间望远镜如何观测到 130 亿年前的景象？
詹姆斯·韦布空间望远镜通过捕捉红外光来观测 130 亿年前的景象，这些光线随着宇宙膨胀而被拉伸，即发生“红移”。对于存在于红移 z=10.255 处的星系 U37126，其紫外光和可见光已经移动到了近红外和中红外光谱中。韦布巨大的主镜和低温冷却仪器使其能够以史无前例的灵敏度探测到这些微弱而古老的光子。
为了确认 U37126 的性质，研究人员利用中红外仪器（MIRI）和近红外光谱仪（NIRSpec）进行了 11 小时的深度光谱观测。由于 U37126 受到前景星系团的引力透镜作用，其光线被放大了约 2.2 倍。这种天然的宇宙放大镜结合詹姆斯·韦布空间望远镜的灵敏度，使团队能够看到该星系的静止系光学发射，而这在如此极端的距离下，其他天文台通常是无法观测到的。
研究方法包括寻找“巴耳末断点”特征和星云复合线（如 H-alpha 和 [OIII]）。在典型的星系中，这些谱线是气体云内发生恒星形成的明亮指示。然而，在 U37126 中，这些谱线明显缺失。H-beta 和 H-alpha 等值宽度的 3-sigma 上限异常低，证实了其恒星种群本质上是“裸露”的，缺乏通常会俘获并重新发射能量的周围气体云。
什么是莱曼连续谱逃逸率？
莱曼连续谱逃逸率（fesc）衡量的是逃逸出星系而非被内部气体吸收的高能电离光子的百分比。在 U37126 中，计算出的逃逸率接近 100%，具体为 94% (+/- 6%)。这一高百分比意味着其恒星产生的几乎所有电离辐射都直接注入到周围的星系际介质中，驱动了宇宙再电离过程。
理解莱曼连续谱（LyC）逃逸至关重要，因为它解释了早期宇宙如何从中心、不透明状态转变为我们今天观察到的透明、电离状态。在再电离时代，来自第一批恒星的高能光剥离了整个宇宙中氢原子的电子。直到现在，天文学家一直在努力寻找具有足够高 fesc 值的星系，以解释这一巨大的转变。U37126 充当了“确凿证据”，证明了特定类别的星系在电离周围环境方面可以具有惊人的效率。
U37126 的高逃逸率归功于其电离光子产生效率（对数值测得为 25.75 Hz erg^-1）。再加上缺乏阻挡这些光子的星际介质，U37126 就像一座宇宙灯塔。研究表明，如果早期宇宙中哪怕只有一小部分星系（约 3% 到 6%）具备这些“ISM 裸露”特征，它们就能提供完成整个宇宙再电离所需总电离预算的 50% 到 100%。
恒星特征与星系意义
U37126 的恒星种群以非常年轻的大质量恒星为主，这些恒星比现代宇宙中的恒星更热、更亮。通过拟合光谱能量分布（SED），团队估计其去透镜后的恒星质量约为 6300 万个太阳质量（10^7.8 Msun）。这些恒星被压缩在如此小的体积内，以至于恒星质量面密度达到每平方秒差距 3000 个太阳质量，这种浓度在后期的宇宙纪元中很少见到。
这些发现表明 U37126 正在经历快速的演化过渡。计算出的比恒星形成率（sSFR）为 160 Gyr^-1，表明该星系在极短的时间尺度内使其质量翻倍。这种“爆发式”的恒星形成模式很可能触发了清除 ISM 所需的极端反馈。当这些大质量恒星在超新星爆炸中死亡时，它们会产生强大的星系风，将气体推出星系，从而形成了詹姆斯·韦布空间望远镜所观察到的“裸露”外观。
早期宇宙研究的下一步是什么？
U37126 的发现证明了“裸露”的星暴星系是早期宇宙中的活跃参与者，从而改变了河外天文学的格局。未来的巡天将集中于确定 U37126 是一个孤立的异常现象，还是更广泛的“漏光”星系群体的代表。如果发现更多此类系统，将证实再电离是由少数极高效的电离源驱动的，而非大量暗淡的“正常”星系。
詹姆斯·韦布空间望远镜即将进行的观测将针对红移超过 z=10 的类似紫外亮候选目标。天文学家希望绘制出这些“裸露”星系的分布图，看看它们是否居住在特定的宇宙环境中，例如星系相互作用更频繁的高密度区域。这项研究不仅阐明了第一批恒星的生命周期，还为解决宇宙如何变透明这一悬而未决的谜团提供了决定性的证据。
- 关键测量数据：红移 z=10.255；LyC 逃逸率 >86% (3-sigma)；星系半径 ~61pc。
- 仪器功勋：利用 MIRI 和 NIRSpec 进行的 11 小时深度积分，证实了预期气体特征的缺失。
- 再电离影响：像 U37126 这样的星系，即使仅占总人口的 5%，也能提供早期宇宙所需的全部电离预算。
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