우주가 별의 '아기'를 점점 덜 만들고 있으며, 과학자들은 그 이유에 대해 머리를 긁적이고 있다. 지난 45억 년 동안 새로운 별이 형성되는 비율은 이전 수준의 절반 미만으로 급락했다. 그러나 별 형성에 가장 중요한 '연료' 중 하나인 중성 원자 수소의 공급은 거의 변하지 않았다. 마치 밀가루 선반은 가득한데 손님이 줄어든 빵집과 같다.

중국과학원(CAS) 과학자들이 주도하고 암흑에너지분광장비(DESI) 프로젝트와 협력한 국제 연구팀은 중국의 500미터 구경 구면 전파망원경(FAST)을 사용하여 지난 45억 년 동안 우주의 중성 원자 수소를 정밀하게 측정했다. 9월 1일 Nature Astronomy에 온라인으로 게재된 그들의 연구 결과는 놀라운 불일치를 드러낸다: 별 형성은 급격히 감소한 반면, 중성 원자 수소(HI)의 양은 약간만 감소했다.

우주가 나이를 먹으면서 별 형성이 왜 덜 활발해졌는지 이해하는 것은 은하 형성과 진화의 주요 질문이다. 겉보기에 분명한 설명은 은하들이 별을 만드는 데 필요한 차가운 가스를 단순히 소진했다는 것이다. 그러나 가스 공급 감소가 원인이라면, 천문학자들은 별 형성의 극적인 감소와 함께 이용 가능한 가스의 유사한 큰 감소가 동반될 것으로 기대할 것이다. 그러나 관측 결과 그러한 급격한 고갈은 나타나지 않았다.

HI는 이 우주적 퍼즐의 핵심 요소이다. 그것은 은하 내부의 중요한 차가운 가스 저장소로, 더 넓은 우주 가스 공급과 새로운 별을 만드는 과정을 연결한다. 천문학자들은 일반적으로 HI를 극도로 희미한 21cm 전파 방출선을 통해 감지한다. 이 신호는 너무 약해서 종종 배경 잡음, 특히 먼 은하에서 오는 잡음에 묻혀버린다.

수년 동안 천문학자들은 딜레마에 직면했다: 깊은 관측은 필요한 감도를 얻을 수 있었지만 넓은 하늘 영역을 스캔할 수 없었고, 넓은 영역 관측은 그렇게 희미한 신호를 감지할 감도가 부족했다. 이로 인해 우주의 총 HI 질량이 시간에 따라 어떻게 변했는지 직접적이고 신뢰할 수 있게 측정하기가 어려웠다.

새로운 연구는 FAST의 탁월한 전파 감도와 DESI의 방대한 광학 분광 데이터를 교묘하게 결합했다. 연구팀은 하늘의 약 1/3에 걸친 약 250만 개의 은하를 연구했다. HI 스펙트럼 스태킹 방법을 사용하여, 그들은 각각 너무 희미하여 개별적으로 감지할 수 없는 약한 전파 신호를 정확한 은하 적색편이에 따라 정렬하여 평균 HI 신호가 잡음에서 나타나게 했다. 이 접근법은 전례 없는 표본 크기와 매우 높은 통계적 정밀도를 제공했다.

결과는 명백한 불일치를 드러냈다: 약 45억 년 전, 우주 별 형성률은 오늘날보다 약 2.5배 높았지만, 중성 원자 수소 밀도는 약 1.4배만 높았다. 즉, 별 형성은 우주의 HI 저장소가 비슷하게 사라지지 않았는데도 붕괴했다. 연구 결과는 중성 수소의 빠른 고갈만으로는 감소를 설명할 수 없음을 시사한다.

대신, 연구자들은 진짜 문제는 가스가 중입자 순환을 통해 이동하는 방식일 수 있다고 제안한다. 우주 웹에서 가스 흐름이 약해지고 가스 밀도가 낮아짐에 따라, 은하들은 HI를 분자 수소(실제로 별이 형성되는 밀집된 구름)로 전환하는 데 덜 효율적이 될 수 있다. 그래서 HI 저장소는 안정적으로 유지되는 반면, 별 형성을 직접적으로 연료로 공급하는 분자 가스는 줄어든다.

이 연구 결과는 수소 측정 이상의 의미를 지닌다. 이 발견은 우주의 별 형성 엔진이 왜 점차 퍼터지는지에 대한 새로운 단서를 제공한다. FAST와 DESI 데이터를 결합하면 우주 가스 순환, 별 형성의 장기적 감소, 그리고 더 넓은 은하 형성 과정을 연구하기 위한 새로운 관측 기준을 제공한다.

이 연구는 중국 국립 천문대, 중국과학원 상하이 천문대, 상하이 자오퉁 대학의 과학자들이 DESI 협력진과 함께 주도했다.