近日，中国科学院上海天文台研究人员与合作者在早期宇宙和宇宙再电离研究方面取得新进展。研究团队提出，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）发现的早期宇宙亮星系所引发的“高红移星系危机”，可能并不意味着标准宇宙学模型失效，而是源于宇宙再电离参数推断中的一个结构性简并。相关成果已发表于国际天文学期刊《The Astrophysical Journal Letters》。

JWST近年来在红移z>10的宇宙中发现了大量明亮星系。这些星系看起来形成得“过早、过亮”，一度被认为需要异常高的恒星形成效率，从而对标准宇宙学模型提出挑战。与此同时，关于早期星系中电离光子逃逸分数的估计长期存在显著分歧，不同研究给出的结果相差可达数倍。

该研究指出，这两个看似独立的问题具有共同根源：现有再电离整体观测主要约束的是电离光子逃逸分数与恒星形成效率的乘积，而不是二者本身。因此，不同研究得到的逃逸分数差异，并不一定代表观测之间存在真正矛盾，而可能只是同一条参数简并关系上的不同投影。

研究团队进一步利用JWST紫外光度函数的形状，对恒星形成效率进行了独立约束，从而打破这一简并。结果显示，先前用于解释JWST早期亮星系危机的高恒星形成效率区域被显著排除；即使考虑随机爆发式恒星形成，这一结论仍然成立。这表明，JWST观测到的早期亮星系可以在标准宇宙学框架下得到自然解释，并不必然需要引入新的宇宙学物理。

该工作还重建了红移z=7-12期间电离光子逃逸分数的演化。结果显示，一个温和的逃逸分数方案(约10%-16%)能够自然连接低红移直接观测与高红移再电离约束，为理解第一代星系如何释放电离光子、并驱动宇宙从中性走向电离提供了新的定量图景。

论文第一作者王子涵表示：“JWST的早期星系观测正在迅速改变我们对宇宙黎明时期的认识。我们的研究表明，所谓高红移星系‘危机’并不一定来自标准宇宙学模型本身，而可能来自再电离观测中不同物理参数之间的简并关系。厘清这种关系，有助于把JWST发现的早期亮星系放入一个更自洽的宇宙再电离图景中。”

论文通讯作者、中国科学院上海天文台陕欢源研究员表示：“这项研究揭示了早期宇宙观测推断中的一个结构性限制，也为后续研究打开了新的方向。我们接下来希望进一步结合JWST、21厘米宇宙再电离观测、宇宙微波背景辐射以及大尺度结构巡天，系统追踪第一代星系如何产生并释放电离光子，以及这一过程如何影响后来的星系形成和宇宙结构演化。再电离不只是早期宇宙的一个阶段，也可能成为连接第一代星系、宇宙结构形成和基本宇宙学参数的重要窗口。”

该研究表明，早期宇宙中的某些“危机”可能来自推断框架本身，而非基本宇宙学模型的失败。通过将参数简并转化为测量工具，该工作为利用JWST、21厘米观测和宇宙微波背景辐射共同研究宇宙再电离提供了新的思路。

图1. 早期星系电离光子逃逸分数与恒星形成效率之间的再电离简并关系。过去看似分歧很大的逃逸分数估计，实际上可以理解为同一物理约束在不同参数假设下的投影。

图2. 展示了JWST 紫外光度函数如何打破再电离参数简并。红色区域对应此前被认为会导致“高红移星系危机”的高恒星形成效率区域，而联合观测约束显示该区域被显著排除，从而说明JWST早期亮星系并不必然要求异常高的恒星形成效率。

本研究得到国家自然科学基金等项目支持。

论文信息：
Wang, Z. & Shan, H. “The JWST Early Galaxy Crisis Resolved by a Reionization Degeneracy”, The Astrophysical Journal Letters, DOI: 10.3847/2041-8213/ae88f1

科学联系人：陕欢源，hyshan@shao.ac.cn