科学通报 | 活动星系核对宇宙再电离的贡献

我们生活在一个多彩的宇宙中. 宏大的星系和绚丽的星云点缀在宇宙空间, 描绘着丰富的物理活动与活跃的能量交换. 这片繁荣景象的起点还要追溯到130亿年前. 宇宙大爆炸发生在约138亿年前, 大爆炸发生的40万年后宇宙进入了漫长的“黑暗时代”. 那时宇宙中的物质(主要是氢和氦)均匀而中性, 没有任何发光天体. 在这持续数亿年的黑夜里, 物质在引力作用下向高密度处聚集, 产生了第一代天体, 包括恒星、星系和黑洞等. 这些早期天体发出的紫外电离光子, 即能量足以电离氢原子的光子, 逐渐将星系际介质中的中性氢原子电离, 该过程在宇宙年龄约10亿年时(宇宙学红移大约6)基本完成. 这整个过程被称为宇宙再电离, 是宇宙演化历史上最关键的转折阶段之一, 它庞大而复杂, 是当代天文学的重要前沿领域之一. 观测宇宙的第一缕曙光、揭示再电离过程, 是詹姆斯·韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST, 简称韦布望远镜)的首要科学目标, 同时也是很多下一代巨型地面光学红外望远镜的核心科学任务之一.

宇宙再电离过程中的能量来源是该领域的重要科学问题, 即哪些天体能够为宇宙再电离提供足够数量的紫外电离光子. 通常认为, 主要存在两类候选天体: 一类是由超大质量黑洞驱动的活动星系核, 其中心黑洞通过吸积物质将引力能高效转化为辐射能, 从而产生大量电离光子; 另一类是富含大质量恒星的恒星形成星系, 其中大量年轻恒星通过核聚变过程释放辐射. 长期以来, 活动星系核与星系在宇宙再电离中的相对贡献一直不清楚. 星系的主要不确定性在于电离光子的逃逸率, 即能够逃离星系, 从而可以用于电离星际介质的电离光子占比. 观测显示, 中低红移星系只有百分之几的电离光子逃逸率, 大部分光子被星系本身或星周际介质吸收或散射 [1] . 宇宙再电离时期的星系际介质尚未被完全电离, 从当时星系中逃逸的紫外电离光子在抵达地球的路上会被沿途的中性介质吸收. 这使得遥远星系的电离光子逃逸率无法被直接测量. 而活动星系核强大的紫外辐射足以电离其所在的宿主星系, 使电离光子逃逸率高达75% [2] 以上.

活动星系核的贡献也存在争议. 人们已对高光度活动星系核(即类星体)进行了较为完备的观测. 我们知道单个类星体的能量辐射很强, 但由于数目较少, 其总的紫外电离光子仅占再电离所需的几个百分点 [ 3 , 4 ] . 观测还发现, 暗弱活动星系核在数量上占优, 有可能提供更多的电离光子. 之前部分研究认为, 即使考虑暗弱活动星系核, 其数量也不足以提供足够的电离光子 [5] . 但韦布望远镜发射以来, 人们在遥远宇宙中发现了大量暗弱活动星系核候选体, 包括性质不明的“小红点”天体 [ 6 , 7 ] . “小红点”的紫外光子辐射是否来自活动星系核还存在争议. 如若计入所有候选体, 暗弱端活动星系核的空间密度将比之前的预估高出1~2个量级, 暗示其在宇宙再电离中可能扮演关键角色.

为解决宇宙再电离的能量来源问题, 我们使用韦布望远镜深场观测图像, 开发了新的方法来为活动星系核的贡献提供绝对上限. 首先, 我们利用韦布望远镜多波段图像数据, 构建了一个在再电离峰值时期(红移7.5左右)的大型完备天体样本, 样本包含星系和活动星系核, 我们的方法不需要知道它们的具体性质. 然后, 我们对所选天体进行图像分解( 图1(a) ), 将每个天体分解成代表活动星系核的、不可分辨的点源和代表宿主星系的延展源, 并计算其点源状成分, 即活动星系核的占比. 我们假设所有点源成分均来自活动星系核, 这一假设是保守的, 因为宇宙中实际也存在韦布望远镜不能分辨的致密星系核 [8] . 因此, 以上步骤所得到的是活动星系核数密度的严格上限. 这一方法既独立于活动星系核候选体的认证, 又能够到达前所未有的探测深度, 可能存在的暗弱活动星系核均被考虑在内.

图1 宇宙再电离时期天体图像分解及活动星系核对宇宙再电离的贡献 [10] . (a) 图像分解的一个例子. 我们使用点源和延展源模型对图像建模, 将相应的活动星系核和星系成分分解开, 第三列的Data-PSF即为去掉点源模型后的图像. (b) 活动星系核光度函数. 红色线和点为我们的结果, 黑色虚线和橙色上限点为文献中类星体的光度函数 [ 4 , 5 ] , 蓝色点为文献中“小红点”天体的光度函数 [7] . (c) 活动星系核在再电离中的贡献占比最大为32%

基于上述活动星系核候选体样本, 并结合已知类星体的结果 [4] , 我们建立了跨越十几个星等的活动星系核光度函数(即数密度随光度的变化; 见 图1(b) ). 假设这些暗弱活动星系核都与高光度的类星体一样拥有75%的电离光子逃逸率, 并能够发出观测限制下最强的紫外辐射 [9] , 我们计算了这些活动星系核能够产生的电离光子总数. 与再电离平衡所需要的电离光子数进行比较, 我们发现, 即使在这些最保守的假设下, 活动星系核对再电离的贡献不会超过32%( 图1(c) ). 这一结果最终排除了活动星系核作为宇宙再电离主导源的可能性. 其中“小红点”的贡献微乎其微, 主要由于以下两个原因: 一是它们在远紫外的(相对光学波段的)辐射强度比普通活动星系核低1~2个量级; 二是它们在远紫外的点源状成分(即活动星系核)占比较低. 基于该结果的论文发表于 Nature Astronomy [10] .

这一研究成果进一步表明星系是宇宙再电离过程中电离光子的主要贡献者, 为宇宙再电离的物理模型提供了有力的观测约束. 而什么宇宙环境下、什么类型的星系、如何释放足够的电离光子? 这些问题的答案都尚不明朗. 针对高红移星系的深入研究将有助于人们更加全面地理解宇宙再电离的演化历程及其物理机制. 我们期待在不久的将来, 中国空间站巡天望远镜(CSST)和地面大型望远镜(如TMT、GMT)等新一代天文设施将在这一前沿领域取得更多突破性进展.

参考文献

[1] Liu Y, Jiang L, Windhorst R A, et al. Lyman continuum emission from spectroscopically confirmed Lyα emitters at z ∼ 3.1 . Astrophys J , 2023 , 958: 22

[2] Cristiani S, Serrano L M, Fontanot F, et al. The spectral slope and escape fraction of bright quasars at z ∼ 3.8: the contribution to the cosmic UV background . Mon Not R Astron Soc , 2016 , 462: 2478 -2485

[3] Schindler J T, Bañados E, Connor T, et al. The Pan-STARRS1 z > 5.6 quasar survey. III. The z ≈ 6 quasar luminosity function . Astrophys J , 2023 , 943: 67

[4] Matsuoka Y, Onoue M, Iwasawa K, et al. Quasar luminosity function at z = 7 . ApJL , 2023 , 949: L42

[5] Jiang L, Ning Y, Fan X, et al. Definitive upper bound on the negligible contribution of quasars to cosmic reionization . Nat Astron , 2022 , 6: 850 -856

[6] Matthee J, Naidu R P, Brammer G, et al. Little red dots: an abundant population of faint active galactic nuclei at z ∼ 5 revealed by the EIGER and FRESCO JWST surveys . Astrophys J , 2024 , 963: 129

[7] Kokorev V, Caputi K I, Greene J E, et al. A census of photometrically selected little red dots at 4 < z < 9 in JWST blank fields . Astrophys J , 2024 , 968: 38

[8] Pérez-González P G, Barro G, Rieke G H, et al. What is the nature of little red dots and what is not, MIRI SMILES edition. Astrophys J, 2024, 968: 4.

[9] Khaire V. Constraints on QSO emissivity using H I and He II Lyman α forest . Mon Not R Astron Soc , 2017 , 471: 255 -266

[10] Jiang D, Jiang L, Sun S, et al. AGNs ruled out as the dominant source of cosmic reionization . Nat Astron , 2025 , 9: 1890 -1897

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