利用天体物理与宇宙学数据约束再电离时期的初始质量函数

[摘要略] 我们旨在约束再电离时期（epoch of reionization）的恒星初始质量函数（IMF）。为此，我们构建了一个关于宇宙再电离历史的半经验模型，该模型基于多种要素：来自 JWST 直至红移 $z\lesssim 12$ 的紫外星系光度函数的最新测定结果；基于数据推断和模拟驱动的关于原初星系电离光子逃逸分数随红移变化的假设；对 IMF $\phi(m_\star)\sim m_\star^\xi\, e^{-m_{\star,\rm c}/m_\star}$ 的简单而灵活的参数化，其中包含高质量端斜率 $\xi<0$ 以及特征质量 $m_{\star,\rm c}$（低于该质量时出现平坦化或弯曲）；用于计算不同恒星质量随年龄和金属丰度变化的紫外及电离辐射的 PARSEC 恒星演化代码；以及与再电离红移处暗弱星系中恒星和星系形成相关的若干物理约束。我们将模型结果与来自不同天体物理和宇宙学探针的再电离观测数据进行比较，并对 IMF 参数执行贝叶斯推断。我们发现 IMF 斜率 $\xi$ 位于 $-2.8$ 至 $-2.3$ 范围内，而明显更平坦的斜率则在极高显著性水平下被排除。然而，IMF 特征质量的最佳拟合值 $m_{\star,\rm c}\sim$ 几个 $M_\odot$ 意味着小质量恒星的形成受到抑制，这与本地宇宙中的 IMF 不同；这可能是由再电离红移处宇宙微波背景（CMB）光子提供的 $\sim 20-30$ K 热背景所诱导的。最后，我们研究了重构的 IMF 对近期 JWST 在再电离时期及之后探测到大质量星系的影响，表明任何假设的与标准宇宙学框架的张力都得到了实质性的缓解。