Wszechświat produkuje mniej gwiazdowych "niemowląt", a naukowcy drapią się po głowach, dlaczego. W ciągu ostatnich 4,5 miliarda lat tempo powstawania nowych gwiazd spadło do mniej niż połowy poprzedniego poziomu. Jednak zapas jednego z najważniejszych "paliw" do tworzenia gwiazd - neutralnego wodoru atomowego - ledwo się zmienił. To jak piekarnia, w której kończą się klienci, a półki z mąką pozostają zaopatrzone.
Międzynarodowy zespół badawczy, kierowany przez naukowców z Chińskiej Akademii Nauk (CAS) i współpracujący z projektem Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), użył chińskiego radioteleskopu FAST (Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope) do precyzyjnych pomiarów kosmicznego neutralnego wodoru atomowego w ciągu ostatnich 4,5 miliarda lat. Ich wyniki, opublikowane online w Nature Astronomy 1 września, ujawniają uderzającą rozbieżność: tempo powstawania gwiazd gwałtownie spadło, podczas gdy ilość neutralnego wodoru atomowego (HI) zmniejszyła się tylko nieznacznie.
Zrozumienie, dlaczego powstawanie gwiazd stało się mniej aktywne wraz z wiekiem wszechświata, to główne pytanie w formowaniu i ewolucji galaktyk. Pozornie oczywiste wyjaśnienie jest takie, że galaktykom po prostu skończył się zimny gaz potrzebny do produkcji gwiazd. Ale gdyby to malejące zapasy gazu były winowajcą, astronomowie spodziewaliby się, że dramatycznemu spadkowi powstawania gwiazd towarzyszyć będzie równie duży spadek dostępnego gazu. Obserwacje nie wykazały jednak tak gwałtownego uszczuplenia.
HI jest kluczowym graczem w tej kosmicznej układance. To ważny rezerwuar zimnego gazu wewnątrz galaktyk, łączący szersze kosmiczne zasoby gazu z procesami, które tworzą nowe gwiazdy. Astronomowie zwykle wykrywają HI poprzez jego niezwykle słabą linię emisyjną o długości 21 centymetrów - sygnał tak słaby, że często ginie w szumie tła, zwłaszcza z odległych galaktyk.
Przez lata astronomowie stawali przed dylematem: głębokie przeglądy mogły osiągnąć wymaganą czułość, ale nie mogły zeskanować dużych obszarów nieba, podczas gdy przeglądy szerokopasmowe nie miały czułości do wykrycia tak słabych sygnałów. To utrudniało bezpośredni i wiarygodny pomiar zmian całkowitej masy HI we wszechświecie w czasie.
Nowe badania sprytnie połączyły wyjątkową czułość radiową FAST z ogromnym zbiorem danych spektroskopowych DESI. Zespół zbadał około 2,5 miliona galaktyk obejmujących prawie jedną trzecią nieba. Stosując metodę układania widm HI, wyrównali słabe sygnały radiowe - każdy zbyt słaby, aby wykryć go indywidualnie - na podstawie precyzyjnych przesunięć ku czerwieni galaktyk, co pozwoliło przeciętnemu sygnałowi HI wyłonić się z szumu. To podejście dało im bezprecedensową wielkość próby i wyjątkowo wysoką precyzję statystyczną.
Wyniki ujawniły rażącą rozbieżność: około 4,5 miliarda lat temu kosmiczne tempo powstawania gwiazd było około 2,5 razy wyższe niż obecnie, ale gęstość neutralnego wodoru atomowego była tylko około 1,4 razy wyższa. Innymi słowy, powstawanie gwiazd załamało się bez porównywalnego zniknięcia rezerwuaru HI we wszechświecie. Odkrycia sugerują, że szybkie wyczerpywanie się neutralnego wodoru nie może samo w sobie wyjaśnić spadku.
Zamiast tego naukowcy proponują, że prawdziwy problem może leżeć w sposobie, w jaki gaz przemieszcza się w cyklu barionowym, a nie w tym, ile HI istnieje ogółem. W miarę jak przepływy gazu z kosmicznej sieci słabną, a gęstość gazu spada, galaktyki mogą stać się mniej wydajne w przekształcaniu HI w wodór molekularny - gęste obłoki, w których faktycznie powstają gwiazdy. Tak więc rezerwuar HI pozostaje stabilny, podczas gdy gaz molekularny, który bezpośrednio zasila powstawanie gwiazd, maleje.
Implikacje wykraczają poza samo mierzenie wodoru. Odkrycia oferują nową wskazówkę, dlaczego wszechświatowe silniki gwiazdotwórcze stopniowo tracą moc. Połączenie danych FAST i DESI zapewnia świeży obserwacyjny punkt odniesienia do badania kosmicznego cyklu gazu, długoterminowego spadku powstawania gwiazd i szerszych procesów kształtujących galaktyki.
Badania prowadzili naukowcy z Narodowych Obserwatoriów Astronomicznych Chin, Szanghajskiego Obserwatorium Astronomicznego CAS i Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju, wraz z współpracownikami z DESI.