Вселенная производит всё меньше звёздных «младенцев», и учёные ломают голову над тем, почему. За последние 4,5 миллиарда лет темпы образования новых звёзд резко упали до менее чем половины прежнего уровня. Однако запасы одного из самых критически важных «видов топлива» для звездообразования — нейтрального атомарного водорода — почти не изменились. Это как если бы пекарня осталась без клиентов, а полки с мукой всё ещё были забиты.

Международная исследовательская группа под руководством учёных из Китайской академии наук (CAS) и в сотрудничестве с проектом Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) использовала китайский сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой (FAST) для точных измерений космического нейтрального атомарного водорода за последние 4,5 миллиарда лет. Их результаты, опубликованные онлайн в Nature Astronomy 1 сентября, выявили поразительное несоответствие: звездообразование резко сократилось, в то время как количество нейтрального атомарного водорода (HI) лишь незначительно уменьшилось.

Понимание того, почему звездообразование становится менее активным по мере старения Вселенной, является главным вопросом в формировании и эволюции галактик. Казалось бы, очевидное объяснение состоит в том, что в галактиках просто закончился холодный газ, необходимый для рождения звёзд. Но если бы причиной было истощение запасов газа, астрономы ожидали бы, что резкое падение звездообразования будет сопровождаться столь же значительным уменьшением доступного газа. Однако наблюдения не показывают такого резкого истощения.

HI является ключевым игроком в этой космической головоломке. Это важный резервуар холодного газа внутри галактик, связывающий более широкие космические запасы газа с процессами, которые формируют новые звёзды. Астрономы обычно обнаруживают HI по его чрезвычайно слабой линии радиоизлучения на длине волны 21 сантиметр — сигналу настолько слабому, что он часто заглушается фоновым шумом, особенно от далёких галактик.

В течение многих лет астрономы сталкивались с безвыходной ситуацией: глубокие обзоры могли достичь необходимой чувствительности, но не могли охватить большие области неба, в то время как обзоры широких областей не обладали чувствительностью для обнаружения таких слабых сигналов. Это затрудняло прямое и надёжное измерение того, как общая масса HI во Вселенной менялась со временем.

Новое исследование остроумно объединило исключительную радио-чувствительность FAST с огромным набором оптических спектроскопических данных DESI. Команда изучила около 2,5 миллионов галактик, охватывающих почти треть неба. Используя метод спектрального наложения HI, они выровняли слабые радиосигналы — каждый слишком слабый для индивидуального обнаружения — на основе точных красных смещений галактик, что позволило среднему сигналу HI проявиться из шума. Этот подход дал им беспрецедентный размер выборки и исключительно высокую статистическую точность.

Результаты выявили вопиющее несоответствие: около 4,5 миллиардов лет назад темп космического звездообразования был примерно в 2,5 раза выше, чем сегодня, но плотность нейтрального атомарного водорода была лишь примерно в 1,4 раза выше. Другими словами, звездообразование резко упало без сопоставимого исчезновения резервуара HI во Вселенной. Полученные данные позволяют предположить, что быстрое истощение нейтрального водорода само по себе не может объяснить спад.

Вместо этого, исследователи предполагают, что реальная проблема может заключаться в том, как газ перемещается в барионном цикле, а не в том, сколько HI существует в целом. По мере того как потоки газа из космической паутины ослабевают, а плотность газа падает, галактики могут становиться менее эффективными в преобразовании HI в молекулярный водород — плотные облака, в которых на самом деле формируются звёзды. Таким образом, резервуар HI остаётся стабильным, в то время как молекулярный газ, который непосредственно питает звездообразование, истощается.

Последствия выходят за рамки простого измерения водорода. Полученные данные дают новую подсказку о том, почему звёздообразующие двигатели Вселенной постепенно дают сбои. Объединение данных FAST и DESI обеспечивает свежий наблюдательный ориентир для изучения космического газового цикла, долгосрочного спада звездообразования и более широких процессов, формирующих галактики.

Исследование возглавляли учёные из Национальных астрономических обсерваторий Китая, Шанхайской астрономической обсерватории CAS и Шанхайского университета Цзяо Тун, а также сотрудники коллаборации DESI.