Universul produce tot mai puțini „bebeluși” stelari, iar oamenii de știință își frământă mințile de ce. În ultimele 4,5 miliarde de ani, ritmul în care se formează stele noi a scăzut la mai puțin de jumătate față de nivelul anterior. Totuși, rezerva unuia dintre cei mai critici „combustibili” pentru formarea stelelor – hidrogenul atomic neutru – abia s-a mișcat. E ca și cum o brutărie ar rămâne fără clienți, în timp ce rafturile cu făină sunt pline.

O echipă internațională de cercetători, condusă de oameni de știință de la Academia Chineză de Științe (CAS) și colaborând cu proiectul Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), a folosit telescopul sferic chinezesc cu apertură de cinci sute de metri (FAST) pentru a face măsurători precise ale hidrogenului atomic neutru cosmic din ultimele 4,5 miliarde de ani. Descoperirile lor, publicate online în Nature Astronomy pe 1 septembrie, dezvăluie o nepotrivire izbitoare: formarea stelelor a scăzut brusc, în timp ce cantitatea de hidrogen atomic neutru (HI) a scăzut doar modest.

Înțelegerea motivului pentru care formarea stelelor a devenit mai puțin activă pe măsură ce universul îmbătrânește este o întrebare majoră în formarea și evoluția galaxiilor. O explicație aparent evidentă este că galaxiile au rămas pur și simplu fără gazul rece necesar pentru a produce stele. Dar dacă rezervele de gaz în scădere ar fi vinovate, astronomii s-ar aștepta ca scăderea dramatică a formării stelelor să fie însoțită de o scădere la fel de mare a gazului disponibil. Observațiile, însă, nu au arătat o astfel de epuizare accentuată.

HI este un actor cheie în acest puzzle cosmic. Este un rezervor important de gaz rece în interiorul galaxiilor, legând rezerva cosmică mai largă de gaz de procesele care forjează stele noi. Astronomii detectează de obicei HI prin linia sa extrem de slabă de emisie radio de 21 de centimetri – un semnal atât de slab încât este adesea înecat de zgomotul de fundal, mai ales de la galaxii îndepărtate.

Timp de ani, astronomii s-au confruntat cu o dilemă: sondajele adânci puteau atinge sensibilitatea necesară, dar nu puteau scana regiuni mari ale cerului, în timp ce sondajele pe zone extinse nu aveau sensibilitatea de a detecta semnale atât de slabe. Acest lucru a făcut dificilă măsurarea directă și fiabilă a modului în care masa totală de HI a universului s-a schimbat în timp.

Noua cercetare a combinat inteligent sensibilitatea radio excepțională a lui FAST cu setul de date uriaș de spectroscopie optică de la DESI. Echipa a studiat aproximativ 2,5 milioane de galaxii care acoperă aproape o treime din cer. Folosind o metodă de stivuire spectrală HI, au aliniat semnale radio slabe – fiecare prea slab pentru a fi detectat individual – pe baza deplasărilor precise spre roșu ale galaxiilor, permițând semnalului mediu HI să iasă din zgomot. Această abordare le-a oferit o dimensiune a eșantionului fără precedent și o precizie statistică excepțional de mare.

Rezultatele au scos la iveală o discrepanță evidentă: acum aproximativ 4,5 miliarde de ani, ritmul cosmic de formare a stelelor era de aproximativ 2,5 ori mai mare decât astăzi, dar densitatea hidrogenului atomic neutru era doar de aproximativ 1,4 ori mai mare. Cu alte cuvinte, formarea stelelor s-a prăbușit fără o dispariție comparabilă a rezervorului de HI al universului. Descoperirile sugerează că epuizarea rapidă a hidrogenului neutru nu poate explica singură declinul.

În schimb, cercetătorii propun că problema reală ar putea fi modul în care gazul se deplasează prin ciclul barionic, nu cât de mult HI există în general. Pe măsură ce fluxurile de gaz din rețeaua cosmică slăbesc și densitățile gazului scad, galaxiile ar putea deveni mai puțin eficiente în transformarea HI în hidrogen molecular – norii denși unde se formează de fapt stelele. Deci rezervorul de HI rămâne stabil, în timp ce gazul molecular care alimentează direct formarea stelelor scade.

Implicațiile se extind dincolo de simpla măsurare a hidrogenului. Descoperirile oferă un nou indiciu despre de ce motoarele de formare a stelelor ale universului tușesc treptat. Combinarea datelor de la FAST și DESI oferă un nou punct de referință observațional pentru studiul ciclului cosmic al gazului, declinul pe termen lung al formării stelelor și procesele mai largi care modelează galaxiile.

Cercetarea a fost condusă de oameni de știință de la Observatoarele Astronomice Naționale ale Chinei, Observatorul Astronomic din Shanghai al CAS și Universitatea Jiao Tong din Shanghai, alături de colaboratorii DESI.