الكون ينتج عددًا أقل من "أطفال" النجوم، والعلماء يحيرون في السبب. على مدى 4.5 مليار سنة الماضية، انخفض معدل تشكل النجوم الجديدة إلى أقل من نصف مستواه السابق. ومع ذلك، فإن إمدادات أحد أهم "وقود" تشكل النجوم - الهيدروجين الذري المحايد - لم تتغير إلا قليلاً. إنه مثل مخبز ينفد منه الزبائن بينما تبقى أرفف الدقيق ممتلئة.

قام فريق بحثي دولي، بقيادة علماء من الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS) وبالتعاون مع مشروع أداة الطاقة المظلمة الطيفية (DESI)، باستخدام تلسكوب الصين الكروي ذو الفتحة الخمسمائة متر (FAST) لإجراء قياسات دقيقة للهيدروجين الذري المحايد الكوني عبر آخر 4.5 مليار سنة. وقد كشفت نتائجهم، التي نُشرت على الإنترنت في مجلة Nature Astronomy في 1 سبتمبر، عن تباين صارخ: انخفض تشكل النجوم بشكل حاد، بينما انخفضت كمية الهيدروجين الذري المحايد (HI) بشكل طفيف فقط.

فهم سبب انخفاض نشاط تشكل النجوم مع تقدم عمر الكون هو سؤال رئيسي في تكوين المجرات وتطورها. يبدو التفسير الواضح أن المجرات ببساطة نفد منها الغاز البارد اللازم لإنتاج النجوم. ولكن إذا كان تناقص إمدادات الغاز هو السبب، لكان علماء الفلك يتوقعون أن يصاحب الانخفاض الحاد في تشكل النجوم انخفاض كبير مماثل في الغاز المتاح. ومع ذلك، لم تظهر الملاحظات مثل هذا النضوب الحاد.

الهيدروجين الذري المحايد (HI) هو لاعب رئيسي في هذا اللغز الكوني. إنه خزان غاز بارد مهم داخل المجرات، يربط إمدادات الغاز الكونية الأوسع بالعمليات التي تصنع نجومًا جديدة. عادةً ما يكتشف علماء الفلك HI عبر خط انبعاثه الراديوي البالغ طوله 21 سنتيمترًا، وهو إشارة ضعيفة جدًا لدرجة أنها غالبًا ما تغرق في ضوضاء الخلفية، خاصة من المجرات البعيدة.

لسنوات، واجه علماء الفلك معضلة: المسوحات العميقة يمكن أن تحقق الحساسية المطلوبة لكنها لا تستطيع مسح مناطق واسعة من السماء، بينما المسوحات الواسعة تفتقر إلى الحساسية لاكتشاف مثل هذه الإشارات الخافتة. هذا جعل من الصعب قياس كيفية تغير كتلة HI الإجمالية في الكون بمرور الوقت بشكل مباشر وموثوق.

جمع البحث الجديد بذكاء بين حساسية FAST الراديوية الاستثنائية ومجموعة بيانات DESI الطيفية الضخمة. درس الفريق حوالي 2.5 مليون مجرة تغطي ما يقرب من ثلث السماء. باستخدام طريقة تكديس طيفي HI، قاموا بمحاذاة الإشارات الراديوية الضعيفة - كل منها خافت جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها بشكل فردي - بناءً على انزياحات حمراء دقيقة للمجرات، مما سمح للإشارة المتوسطة HI بالظهور من الضوضاء. هذا النهج أعطاهم حجم عينة غير مسبوق ودقة إحصائية عالية استثنائية.

كشفت النتائج عن تباين صارخ: منذ حوالي 4.5 مليار سنة، كان معدل تشكل النجوم الكوني أعلى بنحو 2.5 مرة من اليوم، لكن كثافة الهيدروجين الذري المحايد كانت أعلى بنحو 1.4 مرة فقط. وبعبارة أخرى، انهار تشكل النجوم دون اختفاء مماثل لخزان HI الكوني. تشير النتائج إلى أن الاستنزاف السريع للهيدروجين المحايد لا يمكن أن يفسر الانخفاض وحده.

بدلاً من ذلك، يقترح الباحثون أن المشكلة الحقيقية قد تكون في كيفية تحرك الغاز خلال دورة الباريون، وليس في كمية HI الموجودة إجمالاً. مع ضعف تدفقات الغاز من الشبكة الكونية وانخفاض كثافة الغاز، قد تصبح المجرات أقل كفاءة في تحويل HI إلى هيدروجين جزيئي - السحب الكثيفة التي تتشكل فيها النجوم فعليًا. لذا يبقى خزان HI مستقرًا بينما يتضاءل الغاز الجزيئي الذي يغذي تشكل النجوم مباشرة.

الآثار تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد قياس الهيدروجين. تقدم النتائج دليلاً جديدًا على سبب تعثر محركات تشكل النجوم في الكون تدريجيًا. يوفر الجمع بين بيانات FAST وDESI معيارًا رصديًا جديدًا لدراسة دورة الغاز الكوني، والانخفاض طويل الأمد في تشكل النجوم، والعمليات الأوسع التي تشكل المجرات.

قاد البحث علماء من المراصد الفلكية الوطنية الصينية، ومرصد شنغهاي الفلكي التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، وجامعة شنغهاي جياو تونغ، بالتعاون مع متعاوني DESI.