在JWST时代追寻再电离的开端

JWST近期在 $z > 6$ 的观测可能表明星系产生的电离光子数率高于先前的预期。在基于观测的逃逸分数假设下，这些结果暗示再电离在 $z \sim 8-9$ 结束，这与Ly$\alpha$ 森林所要求的 $z < 6$ 结束相矛盾。在本工作中，我们利用辐射转移模拟来理解不同的观测对再电离何时结束及何时开始有何启示。我们考虑了一个结束过早的模型（$z_{\rm end} \approx 8$），以及另外两个更符合实际的 $z_{\rm end} \approx 5$ 情景：一个起始较晚（$z \sim 9$），另一个起始较早（$z \sim 13$）。我们发现后者要求星系电离性质在 $6 < z < 12$ 期间发生高达一个数量级的演化，这可能与JWST对 $\xi_{\rm ion}$ 的测量结果（表明几乎没有演化）相矛盾。我们研究了这些模型与近期的Ly$\alpha$ 森林不透明度、平均自由程、IGM热历史、$z > 8$ 的Ly$\alpha$ 发射体的可见性以及CMB的patchy kSZ信号的测量结果之间的比较。我们发现，没有任何单一数据集强烈排除这两个晚结束情景中的任何一个。然而，跨越多种不同类型观测的大多数可观测量都倾向于晚开始。并非所有探测手段都同意这一结论，这暗示由于观测和/或理论建模的缺陷，可能存在一致性的缺失。未来几年内多个实验（包括JWST、Roman和CMB-S4）的观测将确立再电离开端的一致性图景，或揭示此类缺陷。