高红移星系的恒星形成活动与电离性质建模

JWST 观测的早期结果报告了在 $z \geq 10$ 处存在数量惊人的 UV 亮星系，这似乎对这些红移处 $\Lambda$CDM 框架下的标准星系形成模型的理论预测提出了挑战。为缓解这一矛盾，人们提出了若干宇宙学和天体物理学解释。然而，所有这些提出的情景对早期宇宙的其他大尺度过程（特别是宇宙再电离）都带有显著影响，因为高红移星系被认为是再电离时期的主要电离源。为了研究这一点，我们引入了一个星系形成与演化的半解析模型，该模型解释了 $6 \lesssim z \lesssim 15$ 范围内演化的星系 UV 光度函数（UVLF），并同时追踪了星系际介质中全局平均中性氢分数的时间演化。该模型自洽地考虑了再电离反馈对低质量星系中恒星形成的抑制，并通过将模型预测与各种观测探针（如 HST 和 JWST 的 UVLF 数据、最近的中性氢分数测量以及 CMB 散射光学深度）进行比较来加以约束。我们的分析证实，为了与 $z \geq 10$ 处的 JWST UVLF 估计保持一致，必须使恒星形成率效率和/或每单位已形成恒星质量的 UV 光度出现快速提升。我们进一步发现，当假设逃逸分数依赖于晕质量时，有可能同时满足当前的再电离约束，这要求低质量星系有更高的莱曼连续谱泄漏。我们还检验了具有不同 UV 光度的星系对再电离时期电离光子预算的相对贡献，并研究了高 $z$ 星系的大尺度偏差。