O universo está produzindo menos "bebês" estelares, e os cientistas estão coçando a cabeça para entender o porquê. Nos últimos 4,5 bilhões de anos, a taxa de formação de novas estrelas despencou para menos da metade do nível anterior. No entanto, o suprimento de um dos "combustíveis" mais críticos para a formação de estrelas - o hidrogênio atômico neutro - mal mudou. É como uma padaria ficando sem clientes enquanto as prateleiras de farinha continuam abastecidas.

Uma equipe internacional de pesquisa, liderada por cientistas da Academia Chinesa de Ciências (CAS) e trabalhando com o projeto Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), usou o Telescópio Esférico de Abertura de Quinhentos Metros (FAST) da China para fazer medições precisas do hidrogênio atômico neutro cósmico ao longo dos últimos 4,5 bilhões de anos. Suas descobertas, publicadas online na Nature Astronomy em 1º de setembro, revelam uma discrepância impressionante: a formação de estrelas diminuiu drasticamente, enquanto a quantidade de hidrogênio atômico neutro (HI) apenas diminuiu modestamente.

Entender por que a formação de estrelas se tornou menos ativa à medida que o universo envelhece é uma questão importante na formação e evolução de galáxias. Uma explicação aparentemente óbvia é que as galáxias simplesmente ficaram sem o gás frio necessário para produzir estrelas. Mas se a diminuição do suprimento de gás fosse a culpada, os astrônomos esperariam que a queda dramática na formação de estrelas fosse acompanhada por um declínio igualmente grande no gás disponível. Observações, no entanto, não mostraram uma redução tão acentuada.

O HI é um ator-chave nesse quebra-cabeça cósmico. É um importante reservatório de gás frio dentro das galáxias, ligando o suprimento cósmico mais amplo de gás aos processos que forjam novas estrelas. Os astrônomos geralmente detectam o HI através de sua linha de emissão de rádio de 21 centímetros extremamente fraca - um sinal tão fraco que muitas vezes é sufocado pelo ruído de fundo, especialmente de galáxias distantes.

Por anos, os astrônomos enfrentaram um dilema: pesquisas profundas podiam alcançar a sensibilidade necessária, mas não conseguiam escanear grandes regiões do céu, enquanto pesquisas de ampla área careciam de sensibilidade para detectar sinais tão fracos. Isso tornou difícil medir direta e confiavelmente como a massa total de HI do universo mudou ao longo do tempo.

A nova pesquisa combinou habilmente a excepcional sensibilidade de rádio do FAST com o enorme conjunto de dados de espectroscopia óptica do DESI. A equipe estudou cerca de 2,5 milhões de galáxias abrangendo quase um terço do céu. Usando um método de empilhamento espectral de HI, eles alinharam sinais de rádio fracos - cada um fraco demais para ser detectado individualmente - com base em redshifts precisos das galáxias, permitindo que o sinal médio de HI emergisse do ruído. Essa abordagem deu a eles um tamanho de amostra sem precedentes e uma precisão estatística excepcionalmente alta.

Os resultados expuseram uma discrepância gritante: cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, a taxa cósmica de formação de estrelas era aproximadamente 2,5 vezes maior do que hoje, mas a densidade de hidrogênio atômico neutro era apenas cerca de 1,4 vezes maior. Em outras palavras, a formação de estrelas despencou sem um desaparecimento comparável do reservatório de HI do universo. As descobertas sugerem que o esgotamento rápido do hidrogênio neutro não pode, por si só, explicar o declínio.

Em vez disso, os pesquisadores propõem que o problema real pode ser como o gás se move através do ciclo bariônico, não quanto HI existe no geral. À medida que os fluxos de gás da teia cósmica enfraquecem e as densidades de gás caem, as galáxias podem se tornar menos eficientes em converter HI em hidrogênio molecular - as nuvens densas onde as estrelas realmente se formam. Então, o reservatório de HI permanece estável enquanto o gás molecular que alimenta diretamente a formação de estrelas diminui.

As implicações vão além de apenas medir o hidrogênio. As descobertas oferecem uma nova pista para entender por que os motores de formação de estrelas do universo estão gradualmente engasgando. Combinar dados do FAST e do DESI fornece um novo referencial observacional para estudar o ciclo do gás cósmico, o declínio de longo prazo na formação de estrelas e processos mais amplos que moldam as galáxias.

A pesquisa foi liderada por cientistas dos Observatórios Astronômicos Nacionais da China, do Observatório Astronômico de Xangai da CAS e da Universidade Jiao Tong de Xangai, juntamente com colaboradores do DESI.