L'universo sta producendo meno "neonati" stellari, e gli scienziati si grattano la testa sul perché. Negli ultimi 4,5 miliardi di anni, il tasso di formazione di nuove stelle è crollato a meno della metà del livello precedente. Eppure la scorta di uno dei "carburanti" più critici per la formazione stellare - l'idrogeno atomico neutro - è appena diminuita. È come una panetteria che rimane senza clienti mentre gli scaffali di farina sono ancora pieni.

Un team di ricerca internazionale, guidato da scienziati dell'Accademia Cinese delle Scienze (CAS) e in collaborazione con il progetto Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), ha utilizzato il radiotelescopio sferico cinese FAST (Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope) per effettuare misurazioni precise dell'idrogeno atomico neutro cosmico negli ultimi 4,5 miliardi di anni. I loro risultati, pubblicati online su Nature Astronomy il 1° settembre, rivelano una discrepanza sorprendente: la formazione stellare è diminuita drasticamente, mentre la quantità di idrogeno atomico neutro (HI) è diminuita solo modestamente.

Capire perché la formazione stellare sia diventata meno attiva con l'invecchiamento dell'universo è una questione fondamentale nella formazione ed evoluzione delle galassie. Una spiegazione apparentemente ovvia è che le galassie abbiano semplicemente esaurito il gas freddo necessario per produrre stelle. Ma se la diminuzione delle riserve di gas fosse la causa, gli astronomi si aspetterebbero che il drammatico calo della formazione stellare fosse accompagnato da un calo altrettanto grande del gas disponibile. Le osservazioni, tuttavia, non hanno mostrato una tale riduzione netta.

L'HI è un attore chiave in questo puzzle cosmico. È un importante serbatoio di gas freddo all'interno delle galassie, che collega la fornitura di gas cosmico più ampia ai processi che forgiano nuove stelle. Gli astronomi di solito rilevano l'HI tramite la sua linea di emissione radio estremamente debole a 21 centimetri - un segnale così debole che spesso viene sommerso dal rumore di fondo, specialmente per le galassie lontane.

Per anni, gli astronomi hanno affrontato un dilemma: i sondaggi profondi potevano raggiungere la sensibilità necessaria ma non potevano scansionare vaste regioni del cielo, mentre i sondaggi a grande area mancavano della sensibilità per rilevare segnali così deboli. Questo ha reso difficile misurare direttamente e in modo affidabile come la massa totale di HI dell'universo sia cambiata nel tempo.

La nuova ricerca ha intelligentemente combinato l'eccezionale sensibilità radio di FAST con l'enorme dataset di spettroscopia ottica di DESI. Il team ha studiato circa 2,5 milioni di galassie che coprono quasi un terzo del cielo. Utilizzando un metodo di stacking spettrale HI, hanno allineato deboli segnali radio - ciascuno troppo debole per essere rilevato individualmente - basandosi su redshift precisi delle galassie, permettendo al segnale medio di HI di emergere dal rumore. Questo approccio ha fornito loro una dimensione del campione senza precedenti e una precisione statistica eccezionalmente alta.

I risultati hanno esposto una discrepanza evidente: circa 4,5 miliardi di anni fa, il tasso di formazione stellare cosmico era circa 2,5 volte superiore a quello odierno, ma la densità di idrogeno atomico neutro era solo circa 1,4 volte superiore. In altre parole, la formazione stellare è crollata senza una scomparsa paragonabile del serbatoio di HI dell'universo. I risultati suggeriscono che l'esaurimento rapido dell'idrogeno neutro non può da solo spiegare il declino.

Invece, i ricercatori propongono che il vero problema potrebbe essere come il gas si muove attraverso il ciclo barionico, non quanto HI esista in totale. Mentre i flussi di gas dalla ragnatela cosmica si indeboliscono e le densità del gas diminuiscono, le galassie potrebbero diventare meno efficienti nel convertire l'HI in idrogeno molecolare - le nubi dense dove effettivamente si formano le stelle. Quindi il serbatoio di HI rimane stabile mentre il gas molecolare che alimenta direttamente la formazione stellare diminuisce.

Le implicazioni vanno oltre la semplice misurazione dell'idrogeno. I risultati offrono un nuovo indizio sul perché i motori di formazione stellare dell'universo stiano gradualmente balbettando. La combinazione dei dati di FAST e DESI fornisce un nuovo punto di riferimento osservativo per studiare il ciclo del gas cosmico, il declino a lungo termine della formazione stellare e i processi più ampi che modellano le galassie.

La ricerca è stata guidata da scienziati degli Osservatori Astronomici Nazionali della Cina, dell'Osservatorio Astronomico di Shanghai della CAS e della Shanghai Jiao Tong University, insieme ai collaboratori di DESI.