近日，由中国科学院大学天文与空间科学学院王鑫教授和国家天文台詹虎研究员领衔的国际团队在星系宇宙学领域取得重要进展。团队基于早期暗能量（Early Dark Energy，EDE）模型成功解释了宇宙再电离时期的高星系数密度以及电离光子数问题，为理解早期宇宙演化提供了新的理论视角。该研究成果已被《天体物理学报》（Astrophysical Journal，ApJ）正式发表。
宇宙再电离是宇宙演化历史中最重要的相变阶段之一，发生于大爆炸后约7亿年（红移11-6）。长久以来，驱动这一过程的再电离光子究竟从何而来，一直是困扰该领域研究的核心难题之一。在宇宙学标准模型，即ΛCDM模型下，一般认为再电离光子由暗星系（紫外波段绝对星等大于-15）主导，并依赖较高的光子逃逸率（大于20%）。然而，上述假设与近年来的观测存在显著矛盾。
随着詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）的投入运行，大量高红移星系陆续被发现，其数密度远超ΛCDM的预期及此前观测数据的外推。这一发现促使该研究团队思考从修改宇宙学模型入手来解释上述观测结果的可能性。通过引入最初为缓解“哈勃常数疑难”而提出的早期暗能量模型，他们发现该模型可以在不依赖极高恒星形成效率的前提下，自然地解释高红移星系数密度以及再电离历史。特别地，其结果显示，即使采用更接近当前观测的较低光子逃逸率（约5-10%）及相对明亮的星系上限（紫外波段绝对星等-17到-15），再电离光子数仍然可以由EDE模型所预言的更高暗星系数密度提供，与当前观测约束相一致。
图1：EDE模型预言了更高的星系数密度，可在较低的电离光子逃逸率（5-10%）和相对明亮的星系上限（紫外波段绝对星等-17到-15）条件下解释再电离历史的观测结果。
早期暗能量是一种从理论层面解决哈勃常数疑难的重要模型。通过改变宇宙再复合时期的冷却历史，该模型预言了更密集的星系演化初始条件，进而推论得出更高的高红移星系数密度。该研究首次将早期暗能量与宇宙再电离历史直接关联，揭示了EDE的理论预期与这一时期的星系观测的一致性。这不仅为上述观测提供了不依赖极端星系形成过程的解释，也暗示了哈勃常数疑难、星系数密度、再电离历史三者可能存在的内在关联，为建立交叉检验星系演化与宇宙学理论提供了一个新的实践案例。
本研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院及中国载人航天工程等多项基金支持。论文第一作者为中国科学院大学/国家天文台博士生刘威扬，通讯作者为中国科学院大学教授王鑫和国家天文台研究员詹虎，其它合作单位包括北京师范大学、北京大学、澳大利亚斯威本科技大学、上海交通大学等多所国内外知名研究机构。
论文链接为：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae3d0c
