NASA/ESA 哈勃太空望远镜拍摄的星系团 RXCJ0600-2007 图像，以及 ALMA 观测到 124 亿光年外的遥远星系 RXCJ0600-z6 的引力透镜图像（以红色显示）。由于星系团的引力透镜效应，RXCJ0600-z6 的图像被增强和放大，似乎被分成三个或更多部分。图片来源：ALMA （ESO/NAOJ/NRAO）、Fujimoto 等人、NASA/ESA 哈勃太空望远镜

使用 ALMA 和引力透镜发现了来自早期宇宙的微小旋转星系 RXCJ0600-z6，为宇宙第一个星系的演化提供了开创性的见解。

使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 （ALMA），天文学家发现了一个旋转的婴儿星系，其大小为银河系的 1/100，而当时宇宙的年龄仅为现在年龄的 7%。得益于引力透镜效应的帮助，该团队首次能够探索早期宇宙中小而暗的“正常星系”的性质，这些星系代表了第一个星系的主要群体，这极大地促进了我们对星系演化初始阶段的理解。

“早期宇宙中存在的许多星系都非常小，以至于它们的亮度远低于目前地球上和太空中最大的望远镜的极限，这使得研究它们的特性和内部结构变得困难，”剑桥大学 Kavli 高级研究员 Nicolas Laporte 说。“然而，来自名为 RXCJ0600-z6 的星系的光被引力透镜高度放大，使其成为研究典型婴儿星系的性质和结构的理想目标。”

引力透镜是一种自然现象，其中从远处物体发出的光被位于前景中的星系或星系团等大质量物体的引力弯曲。“引力透镜”这个名字来源于这样一个事实，即大质量物体的引力就像一个透镜。当我们通过引力透镜观察时，远处物体的光线会增强，它们的形状会被拉伸。换句话说，它是一个漂浮在太空中的“天然望远镜”。

ALMA 透镜星团巡天 （ALCS） 团队使用 ALMA 在早期宇宙中搜索了大量因引力透镜而放大的星系。结合 ALMA 的强大功能，在天然望远镜的帮助下，研究人员能够发现和研究更暗的星系。

通过补偿星系团引起的引力透镜效应，重建了遥远星系 RXCJ0600-z6 的图像。红色等值线显示了 ALMA 捕获的碳离子发射的无线电波的分布，蓝色等值线显示了哈勃太空望远镜捕获的光的传播。引力透镜的光强度达到最大值的临界线沿着星系的左侧延伸，因此星系的这一部分被进一步放大（插图）。图片来源：ALMA （ESO/NAOJ/NRAO）、Fujimoto 等人、NASA/ESA 哈勃太空望远镜

微弱的星系掌握着宇宙起源的关键

为什么探索早期宇宙中最暗淡的星系至关重要？理论和模拟预测，大爆炸后几亿年形成的大多数星系都很小，因此很暗。尽管以前已经观测到早期宇宙中的几个星系，但由于望远镜的能力，这些研究仅限于早期宇宙中质量最大的天体，因此也仅限于代表性较差的星系。要了解第一个星系的标准形成，并获得星系形成的完整画面，唯一的方法就是关注更暗、数量更多的星系。

ALCS 团队执行了一项大规模的观测计划，耗时 95 小时，这对于 ALMA 观测来说是一个非常长的时间，以观测 33 个可能导致引力透镜的星系团的中心区域。其中一个星团被称为 RXCJ0600-2007，位于天兔座的方向，质量是太阳的 1000 万亿倍。该团队发现了一个遥远的星系，它正在受到这台天体望远镜产生的引力透镜的影响。ALMA 检测到了银河系中碳离子和星尘的光，以及双子座望远镜拍摄的数据，并确定该星系在大爆炸后约 9 亿年（129 亿年前）所看到的星系^[1]。对这些数据的进一步分析表明，该光源的一部分比其内在亮度高 160 倍。

重建 129 亿年前星系的真实形态

通过精确测量星系团的质量分布，可以 “消除 ”引力透镜效应，恢复被放大的物体的原始外观。通过将来自哈勃太空望远镜和欧洲南方天文台超大望远镜的数据与理论模型相结合，该团队成功地重建了遥远星系 RXCJ0600-z6 的实际形状。这个星系的总质量大约是太阳的 2 到 30 亿倍，大约是我们银河系大小的 1/100。

让团队感到惊讶的是，RXCJ0600-z6 正在旋转。传统上，年轻星系中的气体被认为具有随机、混乱的运动。直到最近，ALMA 才发现了几个挑战传统理论框架的旋转年轻星系 ^[2]，但这些星系比 RXCJ0600-z6 亮（大）几个数量级。

“我们的研究首次证明，我们可以直接测量早期宇宙中这种暗淡（质量较小）星系的内部运动，并将其与理论预测进行比较”，东京大学教授、ALCS 团队负责人 Kotaro Kohno 说。

“RXCJ0600-z6 具有非常高的放大倍数这一事实也提高了对未来研究的期望，”Niels Bohr 研究所的 DAWN 研究员 Seiji Fujimoto 解释说。“这个星系是从数百个星系中被选中的，由詹姆斯韦伯太空望远镜 （JWST） 观测，这是将于今年秋天发射的下一代太空望远镜。通过使用 ALMA 和 JWST 的联合观测，我们将揭示婴儿星系中气体和恒星的特性及其内部运动。当 30 米望远镜和超大望远镜完成时，它们可能能够探测到银河系中的星团，甚至可能分辨出单个恒星。有一个引力透镜的例子已被用于观察 95 亿光年外的单颗恒星，这项研究有可能将其扩展到宇宙诞生后不到 10 亿年的时间。

引用：

“ALMA 透镜星系团巡天：来自 z = 6.0719 的多重成像亚 L* 星系的明亮 [CII] 158 μm 线”，作者：Seiji Fujimoto， Masamune Oguri， Gabriel Brammer， Yuki Yoshimura， Nicolas Laporte， Jorge González-López， Gabriel B. Caminha， Kotaro Kohno， Adi Zitrin， Johan Richard， Masami Ouchi， Franz E. Bauer， Ian Smail， Bunyo Hatsukade， Yoshiaki Ono， Vasily Kokorev， Hideki Umehata， Daniel Schaerer， Kirsten Knudsen、Fengwu Sun、Georgios Magdis、Francesco Valentino、Yiping Ao、Sune Toft、Miroslava Dessauges-Zavadsky、Kazuhiro Shimasaku、Karina Caputi、Haruka Kusakabe、Kana Morokuma-Matsui、菊池原正太郎、Eiichi Egami、Minju M. Lee、Timothy Rawle 和 Daniel Espada，2021 年 4 月 22 日，天体物理学杂志。
DOI： 10.3847/1538-4357/abd7ec

“ALMA 透镜聚类调查：z > 6 处的强透镜多重成像尘埃系统”由 N Laporte、A Zitrin、RS Ellis、S Fujimoto、G Brammer、J Richard、M Oguri、G B Caminha、K Kohno、Y Yoshimura、Y Ao、F E Bauer、K Caputi、E Egami、D Espada、J González-López、B Hatsukade、KK Knudsen、 M M Lee、G Magdis、M Ouchi、F Valentino 和 T Wang，2021 年 1 月 28 日，皇家天文学会月刊。
DOI：10.1093/mnras/stab191

笔记

这项研究得到了日本科学振兴会 KAKENHI（资助号 JP17H06130、JP18K03693、17H01114、19H00697 和 20H00180）、NAOJ ALMA 联合科学研究计划 （2017-06B）、欧洲研究委员会 （ERC） 整合者赠款资助计划（ConTExt 项目，资助号 648179,681627-BUILDUP）、欧盟地平线 2020 研究和创新计划下的 ERC（资助协议号 669253）的支持， 丹麦独立研究基金 赠款 DFF-7014-00017，丹麦国家研究基金会（No.140）、Kavli 基金会、ANID 赠款 CATA-Basal AFB-170002、FONDECYT 常规（1190818 和 1200495）、千年科学倡议 ICN12 009、STFC （ST/T000244/1）、NSFC 赠款 11933011、瑞典研究委员会以及 Knut 和 Alice Wallenberg 基金会。这项工作得到了东京大学宇宙射线研究所 （ICRR） 联合研究计划的部分支持。双子座望远镜的数据是通过天文学研究大学协会 （AURA） 和内盖夫本古里安大学之间的协议获得的。

阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 （ALMA） 是一个国际天文设施，是欧洲南半球天文研究组织 （ESO）、美国国家科学基金会 （NSF） 和日本国立自然科学研究所 （NINS） 与智利共和国合作的合作伙伴关系。ALMA 由 ESO 代表其成员国资助，由 NSF 与加拿大国家研究委员会 （NRC） 和科学技术部 （MOST） 合作资助，以及由 NINS 与台湾中央研究院 （AS） 和韩国天文与空间科学研究所 （KASI） 合作资助。ALMA 的建设和运营由 ESO 代表其成员国领导;由美国国家射电天文台 （NRAO） 主办，由 Associated Universities， Inc. （AUI） 代表北美管理;以及日本国家天文台 （NAOJ） 代表东亚。联合 ALMA 天文台 （JAO） 对 ALMA 的建设、调试和运营提供统一的领导和管理。