Universum producerar färre stjärn-”bebisar”, och forskarna kliar sig i huvudet över varför. Under de senaste 4,5 miljarder åren har takten för nya stjärnors bildande sjunkit till mindre än hälften av den tidigare nivån. Ändå har tillgången på en av de mest kritiska ”bränslena” för stjärnbildning – neutralt atomärt väte – knappt rört sig. Det är som ett bageri som får slut på kunder medan mjölhyllorna fortfarande är välfyllda.

Ett internationellt forskarteam, lett av forskare från Kinesiska vetenskapsakademin (CAS) och i samarbete med Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)-projektet, använde Kinas femhundrameters sfäriska radioteleskop (FAST) för att göra precisa mätningar av kosmiskt neutralt atomärt väte under de senaste 4,5 miljarderna åren. Deras resultat, publicerade online i Nature Astronomy den 1 september, avslöjar en slående diskrepans: stjärnbildningen har minskat kraftigt, medan mängden neutralt atomärt väte (HI) bara minskat måttligt.

Att förstå varför stjärnbildningen blivit mindre aktiv när universum åldras är en viktig fråga inom galaxbildning och evolution. En till synes uppenbar förklaring är att galaxer helt enkelt har fått slut på kall gas som behövs för att producera stjärnor. Men om minskande gastillgångar vore boven, skulle astronomer förvänta sig att den dramatiska nedgången i stjärnbildning åtföljs av en lika stor minskning av tillgänglig gas. Observationer har dock inte visat en sådan kraftig utarmning.

HI är en nyckelspelare i detta kosmiska pussel. Det är en viktig kallgasreservoar inuti galaxer, som länkar den bredare kosmiska gastillförseln till processerna som skapar nya stjärnor. Astronomer detekterar vanligtvis HI via dess extremt svaga 21-centimeters radioemissionslinje – en signal så svag att den ofta dränks i bakgrundsbrus, särskilt från avlägsna galaxer.

I åratal stod astronomer inför en Catch-22: djupa undersökningar kunde uppnå den nödvändiga känsligheten men kunde inte skanna stora himmelsområden, medan breda undersökningar saknade känslighet för att detektera så svaga signaler. Detta gjorde det svårt att direkt och tillförlitligt mäta hur universums totala HI-massa har förändrats över tiden.

Den nya forskningen kombinerade på ett smart sätt FAST:s exceptionella radiokänslighet med DESI:s enorma optiska spektroskopiska dataset. Teamet studerade cirka 2,5 miljoner galaxer som täcker nästan en tredjedel av himlen. Med hjälp av en HI-spektral staplingsmetod riktade de in svaga radiosignaler – var och en för svag för att detekteras individuellt – baserat på exakta galaxrödförskjutningar, vilket gjorde att den genomsnittliga HI-signalen kunde träda fram ur bruset. Detta tillvägagångssätt gav dem en aldrig tidigare skådad urvalsstorlek och exceptionellt hög statistisk precision.

Resultaten avslöjade en uppenbar diskrepans: För cirka 4,5 miljarder år sedan var den kosmiska stjärnbildningstakten ungefär 2,5 gånger högre än idag, men densiteten av neutralt atomärt väte var bara cirka 1,4 gånger högre. Med andra ord har stjärnbildningen kollapsat utan en jämförbar försvinnande av universums HI-reservoar. Resultaten tyder på att snabbt uttömande neutralt väte inte ensamt kan förklara nedgången.

Istället föreslår forskarna att det verkliga problemet kan vara hur gas rör sig genom baryoncykeln, inte hur mycket HI som finns totalt. När gasflöden från det kosmiska nätet försvagas och gasdensiteterna sjunker, kan galaxer bli mindre effektiva på att omvandla HI till molekylärt väte – de täta molnen där stjärnor faktiskt bildas. Så HI-reservoaren förblir stabil medan den molekylära gasen som direkt driver stjärnbildning minskar.

Implikationerna sträcker sig bortom att bara mäta väte. Resultaten ger en ny ledtråd till varför universums stjärnbildningsmotorer gradvis stannar. Att kombinera FAST- och DESI-data ger ett nytt observationsriktmärke för att studera den kosmiska gascykeln, den långsiktiga nedgången i stjärnbildning och bredare galaxformande processer.

Forskningen leddes av forskare från National Astronomical Observatories of China, Shanghai Astronomical Observatory of CAS och Shanghai Jiao Tong University, tillsammans med DESI-samarbetspartners.