L'Univers produit moins de « bébés » stellaires, et les scientifiques se grattent la tête pour comprendre pourquoi. Au cours des 4,5 derniers milliards d'années, le rythme de formation de nouvelles étoiles a chuté de plus de la moitié par rapport à son niveau précédent. Pourtant, la quantité de l'un des « carburants » les plus critiques pour la formation d'étoiles – l'hydrogène atomique neutre – a à peine bougé. C'est comme si une boulangerie manquait de clients alors que les étagères de farine restent pleines.

Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par des scientifiques de l'Académie chinoise des sciences (CAS) et travaillant avec le projet Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), a utilisé le radiotélescope sphérique de cinq cents mètres d'ouverture (FAST) de la Chine pour effectuer des mesures précises de l'hydrogène atomique neutre cosmique au cours des 4,5 derniers milliards d'années. Leurs résultats, publiés en ligne dans Nature Astronomy le 1er septembre, révèlent un décalage frappant : la formation d'étoiles a fortement diminué, tandis que la quantité d'hydrogène atomique neutre (HI) n'a que modestement baissé.

Comprendre pourquoi la formation d'étoiles est devenue moins active à mesure que l'Univers vieillit est une question majeure dans la formation et l'évolution des galaxies. Une explication apparemment évidente est que les galaxies ont simplement épuisé le gaz froid nécessaire à la production d'étoiles. Mais si la diminution des réserves de gaz était le coupable, les astronomes s'attendraient à ce que la chute spectaculaire de la formation d'étoiles soit accompagnée d'une baisse tout aussi importante du gaz disponible. Les observations, cependant, ne montrent pas une telle déplétion brutale.

HI est un acteur clé dans ce puzzle cosmique. C'est un réservoir important de gaz froid à l'intérieur des galaxies, reliant l'approvisionnement en gaz cosmique plus large aux processus qui forgent de nouvelles étoiles. Les astronomes détectent généralement HI via sa raie d'émission radio extrêmement faible à 21 centimètres – un signal si faible qu'il est souvent noyé dans le bruit de fond, en particulier pour les galaxies lointaines.

Pendant des années, les astronomes ont été confrontés à un dilemme : les relevés profonds pouvaient atteindre la sensibilité nécessaire mais ne pouvaient pas scanner de vastes régions du ciel, tandis que les relevés à grande surface manquaient de sensibilité pour détecter des signaux aussi faibles. Cela rendait difficile la mesure directe et fiable de la façon dont la masse totale de HI de l'Univers a changé au fil du temps.

La nouvelle recherche a intelligemment combiné la sensibilité radio exceptionnelle de FAST avec l'ensemble de données spectroscopiques optiques massives de DESI. L'équipe a étudié environ 2,5 millions de galaxies couvrant près d'un tiers du ciel. En utilisant une méthode d'empilement spectral HI, ils ont aligné les signaux radio faibles – chacun trop faible pour être détecté individuellement – en fonction des redshifts précis des galaxies, permettant au signal HI moyen d'émerger du bruit. Cette approche leur a donné une taille d'échantillon sans précédent et une précision statistique exceptionnellement élevée.

Les résultats ont exposé une divergence flagrante : il y a environ 4,5 milliards d'années, le taux de formation d'étoiles cosmique était environ 2,5 fois plus élevé qu'aujourd'hui, mais la densité d'hydrogène atomique neutre n'était que 1,4 fois plus élevée. En d'autres termes, la formation d'étoiles s'est effondrée sans disparition comparable du réservoir de HI de l'Univers. Les résultats suggèrent que l'épuisement rapide de l'hydrogène neutre ne peut pas, à lui seul, expliquer le déclin.

Au lieu de cela, les chercheurs proposent que le vrai problème pourrait être la façon dont le gaz circule dans le cycle baryonique, et non la quantité totale de HI. Alors que les flux de gaz du réseau cosmique s'affaiblissent et que les densités de gaz diminuent, les galaxies pourraient devenir moins efficaces pour convertir HI en hydrogène moléculaire – les nuages denses où les étoiles se forment réellement. Ainsi, le réservoir de HI reste stable tandis que le gaz moléculaire qui alimente directement la formation d'étoiles diminue.

Les implications vont au-delà de la simple mesure de l'hydrogène. Les résultats offrent un nouvel indice pour expliquer pourquoi les moteurs de formation d'étoiles de l'Univers s'essoufflent progressivement. La combinaison des données de FAST et de DESI fournit une nouvelle référence observationnelle pour étudier le cycle du gaz cosmique, le déclin à long terme de la formation d'étoiles et les processus plus larges qui façonnent les galaxies.

La recherche a été dirigée par des scientifiques de l'Observatoire astronomique national de Chine, de l'Observatoire astronomique de Shanghai de la CAS et de l'Université Jiao Tong de Shanghai, en collaboration avec des collègues de DESI.