北京大学物理学院和科维理天文与天体物理研究所江林华教授和博士生姜丹阳研究团队使用韦布空间望远镜（JWST）观测数据，获得活动星系核（AGN）对宇宙再电离贡献的严格上限，明确排除AGN作为再电离峰值时期主导电离源的可能性，结果表明恒星形成星系提供了宇宙再电离的主要电离光子。研究成果以“AGNs ruled out as the dominant source of cosmic reionization”为题于2025年10月7日在线发表在《自然·天文》（Nature Astronomy）期刊上。
图1. 艺术想象图：活动星系核和星系进行宇宙再电离（图片制作：姜丹阳；部分图源：NASA）。
宇宙再电离发生在约 130 亿年前（当时宇宙年龄约 8 亿年，红移大于6）。在此之前，宇宙中的星系际介质基本均匀且处于中性的“黑暗时代”。随着再电离的开启，最早的恒星、星系以及AGN（或类星体）等天体开始形成。它们释放出的紫外莱曼连续光子，即能量足以电离氢原子的光子，逐渐将星系际介质中的氢原子电离。这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（图1）。再电离过程庞大而复杂，电离能量来源是其关键问题之一，即哪些天体为再电离提供了足够的紫外光子。通常认为存在两类主要候选者：一类是由活跃超大质量黑洞驱动的AGN，另一类是富含大质量恒星的恒星形成星系。
长期以来，AGN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。观测显示，中低红移星系只有百分之几的电离光子能逃逸到星系际介质中，大部分被星系本身或星周际介质吸收（或散射），而高红移星系的逃逸率因星系际介质的吸收而难以直接测量。另一方面，高红移AGN的贡献也存在争议，尤其对数量占优的暗弱活AGN了解甚少。之前部分研究认为，高红移AGN的数量也不足以提供足够的电离光子。但JWST发射以来，在红移大于4处发现了大量暗弱AGN候选体，包括性质不明的所谓“小红点”天体（其紫外光子辐射是否来自AGN还存在争议）。若计入所有候选体，暗弱端AGN的空间密度将比之前的预估高出1-2个量级，暗示其在再电离中可能扮演关键角色。
为解决这一重要问题，研究团队使用JWST深场观测图像，开发了新的方法来为AGN的贡献提供绝对上限。首先，研究团队利用JWST多波段数据，构建一个红移在7.15-7.75之间（再电离峰值时期）的大型完备天体样本，样本包含星系和活动星系核。然后，研究团队对所有选出的高红移天体进行图像分解(图2a)，计算其点源状成分的占比。假设所有点源成分均来自AGN，研究团队得出了AGN数密度的严格上限。这一方法既独立于AGN候选体的认证，又能够到达前所未有的探测深度，所有可能存在的暗弱AGN均被考虑在内。
图2.高红移天体图像分解及活动星系核对宇宙再电离的贡献。（a）图像分解的一个例子；（b) 高红移活动星系核光度函数；（c）活动星系核在再电离中的贡献占比最大为32%。
研究团队基于上述方法得到的AGN候选体样，并结合已知较亮AGN的结果，建立了跨越十几个星等的AGN光度函数（即数密度随光度的变化；图2b）。通过计算AGN产生的电离光子总数，并与红移范围内再电离平衡即光子符合所需要的电离光子数进行比较，研究团队发现在最保守的假设下，AGN的贡献不会超过32%（图2c）。
这一成果表明高红移星系是宇宙再电离过程中电离光子的主要贡献者，明确了宇宙再电离的主要能量来源，并为宇宙再电离的理论模型提供了有力的观测约束。未来，针对高红移星系的深入研究将有助于人类更加全面地理解宇宙再电离的演化历程及其物理机制。中国空间站工程巡天望远镜等新一代天文设施将有望在这一前沿领域取得更多进展。
该研究得到国家自然科学基金委的资助。
文章在线链接：
https://www.nature.com/articles/s41550-025-02676-7
