近期，中国科学院上海天文台SKA（平方公里射电阵，Square Kilometre Array，缩写为SKA）射电宇宙学团组利用哈勃空间望远镜（HST）的深场强引力透镜星系团观测Hubble Frontier Fields（HFF）项目中对高红移（z~6）星系光度函数的测量数据，揭示了第一代天体中极暗小质量恒星形成星系提供的电离光子对宇宙再电离的贡献，并进一步预测了这些高红移暗弱星系对再电离时期中性氢21cm信号的影响。相关研究成果于2022年8月30日在《英国皇家天文学会月刊》（MNRAS）上发表。
早期宇宙经历了黑暗时期和大尺度结构形成，其中逐渐出现被空间介质（主要由中性氢组成）包围的第一代发光天体，其辐射出的电离光子和X射线光子又反过来电离和加热这些空间介质。这样的过程就形成了不断增大和扩散的电离区域，该过程被称为“宇宙黎明和再电离”。中性氢原子超精细结构跃迁产生的21cm信号是目前和将来探测“宇宙黎明和再电离”时期的宇宙结构和星系形成演化的最重要手段之一，也是SKA的首要科学目标之一。
有研究认为，在高红移宇宙中由于辐射反馈等效应，小质量暗晕中的星系恒星形成效率可能会受到抑制，从而减少早期宇宙中暗弱星系的数目[1]。有国外团队通过分析HFF强透镜星系团观测数据，发现高红移星系的光度函数在极暗端出现下拐，从观测上佐证该效应的存在[2]。
上海天文台的SKA射电宇宙学团组进一步研究了该效应对再电离时期中恒星形成星系所能提供的电离光子总量的影响。通过建立星系中恒星形成效率半分析模型，结合暗物质晕质量函数，可以从理论上模拟得到星系数目和光度随时间的演化，基于此可以得到在宇宙演化的不同时刻，恒星形成星系所能提供的电离光子和紫外光子的总量。利用这些物理量能够定量估计某一时刻氢的电离比例及星系际介质的温度，这些性质将决定天文学家今天能够观测到的早期宇宙星系介质的21cm亮温度[3]。“在早期宇宙，大质量暗晕和星系还没有充分成长，实际上驱动再电离过程的光子主要来自于小质量星系。”上海天文台研究生张泽康解释道，“研究这些星系的性质对我们理解再电离过程非常关键”。上海天文台SKA射电宇宙学团组的陕欢源研究员表示：“暗弱星系数目的减少将显著降低电离光子总量，并推迟整个再电离过程的发生和宇宙电离结构的生长。”（图1）
SKA作为世界上最大的望远镜阵列，其首要目标之一就是探测来自再电离时期的21cm信号。不同于全天平均的总信号，SKA-Low捕捉21cm亮温度在某个红移处的空间统计信息，从而得到电离氢区的尺度分布。科研人员同时估计了HFF光度函数观测对红移为6的21cm功率谱的影响，结果显示SKA-Low低频阵列具有足够的灵敏度能在较大尺度识别该影响。团队的科研人员期待近期发射并投入使用的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）能够对更遥远更暗弱的星系光度函数准确测量，提供对该效应的进一步验证——SKA在射电波段针对星系际介质的观测与詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）以及即将发射的中国空间站望远镜（CSST）的光学和红外直接观测相互补充，能够提供第一代星系的形成和演化更加完整清晰的图像，揭开黑暗时期的面纱。
图1，21cm全天总功率信号模拟。黑色实线为基准模型，灰色实线为基于HFF光度函数测量对21cm信号的限制。图中展示了基于HFF的光度函数观测，对来自宇宙黎明和再电离时期的21cm全天总功率信号的限制，结果显示信号中的吸收谷位置延迟了约3个红移，星系际介质的温度降低了约30mK。
参考文献：
[1] Yue B., Ferrara A., Xu Y., 2016, MNRAS, 463, 1968
[2] Atek H., Richard J., Kneib J.-P., Schaerer D., 2018, MNRAS, 479, 5184
[3] Mirocha J., Furlanetto S. R., Sun G., 2017, MNRAS, 464, 1365
科学联系人：
陕欢源，中国科学院上海天文台，hyshan@shao.ac.cn
张泽康，中国科学院上海天文台，zhangzekang@shao.ac.cn
