Астрономы раскрыли новую загадку: почему Вселенная перестала активно формировать звезды

Вселенная производит всё меньше звёздных «младенцев». За последние 4,5 миллиарда лет темпы формирования новых звёзд упали более чем вдвое. При этом запасы одного из ключевых видов «топлива» для звёздообразования изменились на удивление незначительно.

К такому выводу пришла международная группа исследователей под руководством учёных из Китайской академии наук (CAS), работающих с проектом Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Используя китайский сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой (FAST), исследователи провели точные измерения космического нейтрального атомарного водорода за последние 4,5 миллиарда лет.

Результаты показали поразительное несоответствие. Звёздообразование резко сократилось, в то время как количество нейтрального атомарного водорода (HI), важного резервуара газа внутри галактик, уменьшилось лишь незначительно.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy 1 сентября.

Почему Вселенная производит меньше звёзд?

Понимание того, почему звёздообразование становится менее активным по мере старения Вселенной, является одним из главных вопросов в исследованиях формирования и эволюции галактик. Казалось бы, простое объяснение заключается в том, что галактики постепенно израсходовали холодный газ, необходимый для производства звёзд.

Однако, если бы именно истощение запасов холодного газа было главной причиной, астрономы ожидали бы, что резкое падение звёздообразования будет сопровождаться столь же значительным сокращением доступного газа. До сих пор наблюдения не показывали такого резкого истощения.

Нейтральный атомарный водород (HI) играет центральную роль в этой загадке. Он является важным резервуаром холодного газа внутри галактик, связывая более обширные космические запасы газа с процессами, которые в конечном итоге приводят к рождению новых звёзд. Астрономы в основном обнаруживают HI по его чрезвычайно слабой радиолинии с длиной волны 21 сантиметр.

Обнаружить этот сигнал от далёких галактик сложно, поскольку он часто подавляется фоновым шумом.

FAST и DESI исследуют миллионы галактик

В течение многих лет астрономы сталкивались с серьёзной наблюдательной проблемой. Очень глубокие обзоры могли достичь необходимой чувствительности, но не могли охватить большие области неба. Обзоры же, покрывающие гораздо большие площади, как правило, не обладали чувствительностью, необходимой для обнаружения таких слабых радиосигналов.

В результате учёным было трудно напрямую и надёжно определить, как менялась общая масса HI во Вселенной в эпоху низкого и промежуточного красного смещения.

Новое исследование решило эту проблему, объединив исключительную радиочувствительность телескопа FAST с огромным набором данных оптической спектроскопии, предоставленным проектом DESI. Команда изучила около 2,5 миллионов галактик, распределённых почти по трети неба.

Исследователи использовали метод спектрального наложения (stacking) для HI, чтобы объединить радиосигналы, которые были слишком слабыми для индивидуального обнаружения. Используя точные измерения красного смещения каждой галактики, они выровняли слабые сигналы и сложили их вместе. Этот процесс позволил усреднённому сигналу HI проявиться на фоне шума.

Такой подход позволил учёным отслеживать изменения космического нейтрального водорода на выборке беспрецедентного размера и с исключительно высокой статистической точностью.

Звёздообразование упало гораздо быстрее, чем содержание водорода

Результаты выявили серьёзное различие между эволюцией звёздообразования и запасами нейтрального водорода.

Около 4,5 миллиардов лет назад темп космического звёздообразования был примерно в 2,5 раза выше, чем сегодня. Однако за тот же период плотность нейтрального атомарного водорода была лишь примерно в 1,4 раза выше современного уровня.

Другими словами, звёздообразование резко упало без сопоставимого исчезновения резервуара HI во Вселенной. Полученные данные указывают на то, что быстрое истощение нейтрального водорода само по себе не может объяснить, почему звёздообразование так сильно сократилось.

Космическая загадка смещается

По словам исследователей, полученные результаты меняют центральный вопрос с «исчерпывается ли газ» на «почему становится всё труднее формировать звёзды, несмотря на обильные запасы нейтрального водорода».

Звёзды не образуются напрямую из большей части нейтрального атомарного водорода. Они в основном рождаются внутри гораздо более плотных облаков молекулярного газа. Нейтральный атомарный водород занимает важное промежуточное положение между общим газовым запасом Вселенной и молекулярным водородом, который в конечном счёте может питать звёздообразование.

Исследователи предполагают, что наиболее важные изменения в более поздней Вселенной могут быть связаны с тем, как газ проходит через барионный цикл, а не с тем, сколько HI существует в целом.

По мере того как поток газа из космической паутины ослабевает, а плотность газа уменьшается, галактики могут становиться менее эффективными в преобразовании HI в молекулярный водород. При таком сценарии общий резервуар HI может оставаться относительно стабильным, в то время как запасы молекулярного газа, непосредственно ответственного за создание звёзд, постепенно сокращаются.

Почему звёздные фабрики Вселенной угасают

Таким образом, последствия выходят за рамки простого определения того, сколько водорода существует во Вселенной. Полученные данные дают важную новую подсказку о том, почему огромные звёздообразующие механизмы Вселенной постепенно замедляются.

По словам исследователей, объединение наблюдений FAST и DESI обеспечивает новый наблюдательный ориентир для изучения космического газового цикла на поздних этапах эволюции Вселенной, долгосрочного спада звёздообразования и более широких процессов, формирующих галактики.

Исследование возглавили учёные из Национальных астрономических обсерваторий Китая, Шанхайской астрономической обсерватории CAS и Шанхайского университета Цзяо Тун совместно с исследователями, участвующими в проекте DESI.

Вклад внесли исследователи из научных учреждений Азии, Северной Америки и Европы. Это сотрудничество демонстрирует научный потенциал объединения высокочувствительных радионаблюдений с масштабными обзорами оптической спектроскопии.