宇宙は星の「赤ちゃん」を生み出すペースが落ちており、科学者たちはその理由に頭を悩ませている。過去45億年にわたり、新しい星が形成される速度は以前の半分以下に急落した。しかし、星形成の最も重要な「燃料」の一つである中性原子状水素の供給はほとんど変わっていない。まるでパン屋が客足が途絶えたのに、小麦粉の棚は在庫でいっぱいというようなものだ。

中国科学院（CAS）の科学者らが主導し、暗黒エネルギー分光装置（DESI）プロジェクトと協力した国際研究チームは、中国の500メートル球面電波望遠鏡（FAST）を用いて、過去45億年にわたる宇宙の中性原子状水素を精密に測定した。9月1日にNature Astronomy誌にオンライン掲載された彼らの発見は、顕著なミスマッチを明らかにした。星形成は急激に減少している一方で、中性原子状水素（HI）の量はわずかに減少したに過ぎない。

宇宙の年齢とともに星形成が不活発になる理由を理解することは、銀河の形成と進化における主要な疑問である。一見明白な説明は、銀河が星を作るのに必要な冷たいガスを使い果たしたというものだ。しかし、もしガス供給の減少が原因なら、天文学者たちは星形成の劇的な減少に伴って、利用可能なガスも同様に大幅に減少することを期待するだろう。しかし、観測ではそのような急激な枯渇は示されていない。

HIはこの宇宙のパズルの鍵を握る存在だ。これは銀河内の重要な冷たいガスの貯蔵庫であり、より広い宇宙のガス供給と新しい星を生み出すプロセスを結びつけている。天文学者は通常、HIをその極めてかすかな21センチメートル電波輝線で検出する。この信号は非常に弱いため、特に遠方の銀河からの背景ノイズにしばしば埋もれてしまう。

長年にわたり、天文学者はジレンマに直面していた。深宇宙探査は必要な感度を達成できるが、広い空領域を走査できず、広域探査はそのようなかすかな信号を検出する感度を欠いていた。そのため、宇宙全体のHI質量が時間とともにどのように変化してきたかを直接かつ確実に測定することは困難だった。

今回の新しい研究は、FASTの卓越した電波感度とDESIの巨大な光学分光データセットを巧みに組み合わせた。研究チームは、空の約3分の1に及ぶ約250万個の銀河を調査した。HIスペクトルスタッキング法を用いて、個々には検出できないほどかすかな電波信号を、正確な銀河の赤方偏移に基づいて整列させ、平均的なHI信号をノイズから浮かび上がらせた。このアプローチにより、前例のないサンプルサイズと非常に高い統計的精度が得られた。

その結果、顕著な不一致が明らかになった。約45億年前、宇宙の星形成率は現在の約2.5倍だったが、中性原子状水素の密度は約1.4倍高いだけだった。言い換えれば、星形成は宇宙のHI貯蔵庫の同様の消失なしに暴落したのだ。この発見は、中性水素の急速な枯渇だけでは減少を説明できないことを示唆している。

代わりに、研究者らは、本当の問題はガスがバリオンサイクルを通じてどのように移動するかであり、HIが全体としてどれだけ存在するかではないと提案している。宇宙の網からのガスの流れが弱まり、ガス密度が低下するにつれて、銀河はHIを分子状水素（実際に星が形成される高密度の雲）に変換する効率が低下する可能性がある。そのため、HI貯蔵庫は安定したままで、直接星形成を燃料とする分子ガスは減少する。

この影響は水素の測定を超えて広がる。この発見は、宇宙の星形成エンジンが徐々に失速している理由について新たな手がかりを提供する。FASTとDESIのデータを組み合わせることで、宇宙のガスサイクル、星形成の長期的な減少、そしてより広範な銀河形成プロセスを研究するための新たな観測的ベンチマークが提供される。

この研究は、中国国家天文台、中国科学院上海天文台、上海交通大学の科学者らがDESIの協力者とともに行った。