图 高红移类星体的搜寻和证认及类星体对宇宙再电离的贡献。（a）利用多波段测光数据选择类星体候选体；（b）利用哈勃望远镜高空间分辨率图像证认类星体；（c）覆盖近10个星等范围的类星体光度函数；（d）类星体对宇宙再电离的贡献小于7%（95%置信度）

　　在国家自然科学基金项目（批准号：11721303、11890693、12022303）等资助下，北京大学江林华教授领衔的团队在研究宇宙再电离能量来源问题上取得进展。研究成果以“类星体对宇宙再电离的微弱贡献及其严格上限（Definitive upper bound on the negligible contribution of quasars to cosmic reionization）”为题，于2022年6月16日在线发表在《自然・天文》（Nature Astronomy）期刊上。论文链接为：https://www.nature.com/articles/s41550-022-01708-w。

　　宇宙再电离发生于大约130亿年前（现在的宇宙年龄约138亿年），之前的宇宙相对均匀且一片“黑暗”。在这“黑暗时代”末期，宇宙中最早的恒星、星系和超大质量黑洞等天体开始形成，它们发出的紫外莱曼连续谱光子电离了星系际介质中的主要气体成分氢原子，此过程称为宇宙再电离，是宇宙演化最重要的时期之一。其核心问题之一是再电离能量来源问题，即何种天体提供了再电离宇宙的光子。目前认为主要是具有活跃超大质量黑洞的类星体或拥有大质量恒星的产星星系。但类星体和星系的相对贡献并不清楚，这是由于观测上的困难，人们对高红移暗弱类星体知之甚少。

　　江林华团队设计了一种新的类星体搜寻方法，突破了传统方法（利用光谱证认）的极限，能证认比已知最暗类星体还暗10倍以上的类星体，从而可以直接测量高红移类星体对宇宙再电离的贡献。该方法首先利用来自哈勃空间望远镜和大型地面望远镜的深场多色成像数据，选择红移6.0至6.5左右的类星体候选体（图a），然后利用高空间分辨率哈勃图像证认类星体（图b）。基于该方法并结合已知的较亮类星体样本，团队构建了覆盖10个星等范围的类星体光度函数（图c），并直接测量了类星体产生的电离光子密度。江林华团队通过比较上述红移范围内电离宇宙所需的光子密度，发现类星体的贡献小于7%（95%置信度；图d）。这是首次直接证据表明类星体对宇宙再电离的贡献几乎可以忽略不计。

　　以上成果间接表明高红移星系，尤其是小质量产星星系，是宇宙再电离所需电离光子的唯一主要贡献者。这基本解决了宇宙再电离能量来源问题，并对理解宇宙再电离过程和物理机制有重要意义。另外，该工作还为暗弱类星体的空间密度设置了严格上限，对理解宇宙早期超大质量黑洞形成和演化有重要促进作用。