Low Ly Visibility in Galaxy Overdensities: Reionization Topology and Neutral-Fraction Ceilings from DIVER over
通过利用来自 DIVER 调查的深度 JWST/NIRSpec 观测数据，本研究揭示了高红移星系中的莱曼-阿尔法可见度在过密区域受到抑制，这与简单的由内而外再电离模型相悖，同时确立了表明宇宙再电离在红移 8 时已在局部进行中的经验中性比例上限。
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在早期宇宙中，一层由中性氢气体组成的巨大雾气笼罩着宇宙，使得第一批恒星和星系发出的光无法穿透。这一时期被称为再电离时代，直到来自这些年轻星系的强烈辐射将氢原子中的电子剥离，才清除了这层雾气，使宇宙变得透明。长期以来，天文学家一直利用一种由氢原子在能级间跃迁时发出的特定光，来绘制这一清除过程的图谱。由于这种光极易与中性氢发生共振，它成为了一个敏感的探测器：如果周围的气体厚且呈中性，光就会被散射和吸收；如果气体已电离且透明，光就能逃逸出来被望远克镜观测到。几十年来，普遍的预期是，聚集在密集星群中的星系会创造出更大的电离气体泡，从而使这种光更容易逃逸并被观测到。
一项使用詹姆斯·韦伯空间望远镜进行的最新研究挑战了这一简单的图景。通过观测同一片天区中的数百个古老星系，研究人员发现，最亮、最可见的氢光实际上来自于相对孤立的星系，而非那些挤在密集星团中的星系。这一发现表明，早期宇宙的清除过程远比此前认为的更加复杂且具有斑驳性，局部环境对单个星系的影响比周围星系团的大小更为关键。
由亚利桑那大学领导并由全球合作者参与的研究团队，利用了名为“再电离时代深度紫外光谱学”（DIVER）的研究项目。他们将功能强大的近红外光谱仪（NIRSpec）对准了天空中一个研究充分的区域——GOODS-北场。他们的目标是测量250个位于红移4.8至11之间的星系中，能逃逸出多少这种被称为莱曼-阿尔法（Lyman-alpha）的特定氢光。这一红移范围涵盖了宇宙历史中一个关键的窗口期，即从宇宙年龄约为12亿年到仅4亿年左右的时期。为了了解每个星系的环境，团队将光谱数据与另一项绘制了该区域数千个其他星系位置的宽场巡天数据相结合。这使得他们能够确定每个目标星系是坐落在拥挤的邻里，还是孤独的荒原。
结果揭示了一个令人惊讶的趋势。研究人员识别出84个成功发射这种氢光的星系，其中包含44个特别强的发射源。与“密集星团是观察此种光之最佳场所”的预期相反，数据显示，具有强且可见氢发射的星系往往位于距离其最近邻居较远的地方。在所观测到的最密集部分，一个红移约为5.2的巨大星系团中，只有不到15%的星系显示出强烈的氢发射。这与简单的再电离模型预测的结果背道而驰，在简单模型中，密集的星系群应该已经开凿出了巨大的、清晰的电离气体泡，允许光线自由传播。
团队探讨了导致密集环境可能隐藏此种光的几种原因。一种可能性是，星系团中星系之间的空间充满了吸收光线的致密气体团块。另一个因素是星系周围气体的运动；如果气体正在向内流动或以某种方式捕捉光线，即使广袤的宇宙正在变得清晰，它也可能阻止信号到达地球。研究还考虑了尘埃和星系内部结构的作用，但发现环境密度是影响可见度最一致的因素。研究人员指出，虽然在其他研究中也发现过一些位于星团中的单个明亮星系，但那些很可能是特例，即在气体中恰好存在一条清晰的路径，而非整个族群的普遍规律。
通过分析不同时期光线可能达到的亮度上限，团队为宇宙中剩余的中性气体量设定了一个天花板。他们计算出，在红移约为8时，宇宙的中性程度不可能超过约76%。这一发现具有重要意义，因为它排除了当时宇宙几乎完全是由厚重中性雾气构成的观点。相反，它支持了一个模型，即再电离已经在进行中，且存在着清晰区域与雾气区域并存的情况。这项研究得出结论，早期星系中氢光的可见性，既编码了关于宇宙大尺度结构的信息，也包含了关于星系紧邻的、混乱的局部环境的信息。这意味着，为了理解宇宙是如何清除其雾气的，天文学家不仅要观察星系团这一宏观图景，还要观察每个恒星形成区周围的具体局部条件。
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