日本千叶大学领衔的国际研究团队利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA），首次在宇宙大爆炸后约7亿至8亿年的典型星系中直接探测到中性气体，为揭示早期星系形成过程打开了一扇新窗口。相关研究15日发表在《天体物理学杂志》上。
宇宙大爆炸后约数亿年，第一批星系开始形成。恒星诞生所需的原料来自星系中的冷中性气体，但由于这种气体难以直接探测，人们对早期星系如何成长一直缺乏清晰认识。
詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）和哈勃空间望远镜虽然能够清晰观测遥远星系中的恒星和高温气体，却无法直接看到为恒星形成提供原料的中性气体。此前广泛使用的[C Ⅱ]发射线既可能来自中性区域，也可能来自电离区域，因此难以准确判断其来源。
为解决这一问题，团队将目标锁定在145微米波长的[O Ⅰ]发射线。这种由中性氧原子发出的信号是追踪中性气体的直接标志。研究人员还结合仅来自电离气体的205微米[N Ⅱ]发射线，对不同来源的辐射进行区分，从而成功提取出中性气体成分。
团队选择了4个典型恒星形成星系进行观测，它们发出的光来自宇宙大爆炸后约7亿至8亿年。利用ALMA，研究团队在4个星系中都探测到了145微米[O Ⅰ]发射线，并结合JWST的数据，对这些星系中恒星形成物质的物理和化学性质进行了迄今最详细的分析。
由于205微米[N Ⅱ]发射线非常微弱甚至未被探测到，推断这些星系中的辐射主要来自中性气体，而非电离气体。这一结果不仅验证了[O Ⅰ]信号的来源，也有助于重新解释此前大量的[C Ⅱ]观测数据。
团队还结合[O Ⅰ]和[C Ⅱ]信号，对中性气体环境进行了建模。结果发现，这些气体密度非常高，与已知恒星形成最剧烈的星暴星系相当，但辐射场强度略低。这表明，宇宙黎明时期的星系虽然体积紧凑，却拥有非常致密的恒星形成区域。
这是迄今对典型恒星形成星系中最遥远中性气体的直接探测，确立了[O Ⅰ]发射线作为研究早期宇宙中性气体的有效工具。
