Почему во Вселенной всё труднее формируются новые звёзды? Популярное объяснение гласит, что «топливо» для рождения звёзд — холодный газ — постоянно расходуется, что приводит к упадку звёздообразования. Однако последние совместные наблюдения «Китайского неба» (FAST) и Международного спектроскопического прибора тёмной энергии (DESI) дали неожиданный ответ: хотя за последние 4,5 миллиарда лет активность звёздообразования во Вселенной значительно ослабла, нейтральный водород — важный резерв холодного газа — не истощился синхронно. «Топливный бак» Вселенной всё ещё имеет запас, и проблема может заключаться в этапе «переработки». Соответствующие результаты исследований были опубликованы в журнале Nature Astronomy 1-го числа в режиме онлайн.
Нейтральный водород является ключевым связующим звеном между крупномасштабной циркуляцией газа в галактиках и внутренним звёздообразованием. Он излучает сигнал через чрезвычайно слабую радиолинию 21 см. Для далёких галактик отдельные сигналы часто тонут в фоновом шуме, подобно тому как в шумном зале трудно расслышать чей-то шёпот. Поэтому до сих пор не было надёжных доказательств того, как эволюционирует общее количество нейтрального водорода во Вселенной.
На этот раз международная совместная группа, состоящая из Национальной астрономической обсерватории Китайской академии наук, Шанхайской астрономической обсерватории Китайской академии наук, Шанхайского университета Цзяотун и других организаций, глубоко объединила высокочувствительные радионаблюдения FAST с масштабным спектроскопическим обзором DESI, проанализировав около 2,5 миллионов галактик, покрывающих примерно треть небесной сферы, и проследила эволюционную траекторию нейтрального водорода во Вселенной с беспрецедентной статистической точностью.
«Мы использовали технику сложения спектральных линий нейтрального водорода: множество слабых сигналов, которые невозможно обнаружить по отдельности, были точно выровнены по расстоянию до галактик и сложены. Это подобно тому, как если бы миллионы слабых голосов одновременно произнесли одну и ту же фразу, и мы наконец извлекли средний сигнал из шума», — рассказал Чжан Чуаньпэн, первый автор статьи и заместитель научного сотрудника Национальной астрономической обсерватории Китайской академии наук.
Результаты измерений показывают: 4,5 миллиарда лет назад темп звёздообразования во Вселенной был примерно в 2,5 раза выше, чем сегодня, а плотность нейтрального атомарного водорода в тот же период была лишь примерно в 1,4 раза выше. Иными словами, в то время как активность звёздообразования «резко упала», резерв нейтрального водорода во Вселенной не истощился синхронно. «Если бы "истощение топлива" было главной причиной, оба показателя должны были бы снижаться синхронно, но данные не подтверждают это утверждение», — сказал Го Хун, автор-корреспондент статьи и научный сотрудник Шанхайской астрономической обсерватории Китайской академии наук.
Тогда в чём же проблема? Чжан Чуаньпэн объяснил, что звёзды формируются не непосредственно из нейтрального водорода. Нейтральному водороду необходимо сначала превратиться в более плотные облака молекулярного водорода, которые и являются настоящими «родильными домами» звёзд. В поздней Вселенной действительно значительные изменения могли произойти в процессе превращения газа из нейтрального водорода в молекулярный, а затем в звёзды. По мере ослабления поступления газа и снижения его плотности эффективность превращения нейтрального водорода в молекулярный снижается. Таким образом, резерв нейтрального водорода сохраняется относительно стабильно, а молекулярный газ, который действительно может непосредственно рождать звёзды, постепенно уменьшается.
«Мы видим не нехватку газа во Вселенной, а то, что газу всё труднее "перерабатываться" в звёзды», — отметил Го Хун. Это открытие переносит фокус обсуждения с вопроса «исчерпан ли газ» на вопрос «почему газ есть, но его не удаётся использовать», предоставляя новые ключевые подсказки для понимания упадка звёздообразования во Вселенной.