В последние эпохи космической истории темпы рождения звёзд во Вселенной заметно снизились, и астрономы пытаются выяснить причины этого процесса. На первый взгляд ответ кажется очевидным: запасы материала для формирования звёзд истощились. Однако международная группа исследователей под руководством Хун Го из Китайской академии наук решила детально разобраться, какие ещё процессы могут замедлять звездообразование. Учёные сосредоточились на анализе причин наблюдаемого спада.
Для измерений команда задействовала радиотелескоп FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope — сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой), чтобы с высокой точностью оценить содержание нейтрального водорода (HI) в космосе за последние 4,5 миллиарда лет. Этот элемент служит важным источником для галактик и регистрируется по радиоизлучению на длине волны 21 сантиметр. В работе также использовались данные проекта DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument — спектроскопический инструмент для изучения тёмной энергии). Исследование охватило выборку из примерно 2,5 миллиона галактик, что составляет почти треть небесной сферы.
Выяснилось, что 4,5 миллиарда лет назад скорость звездообразования во Вселенной была примерно в 2,5 раза выше, чем сейчас. При этом плотность нейтрального атомарного водорода превышала текущий уровень лишь в 1,4 раза. По словам Хун Го, такой результат оказался неожиданным, поскольку он не объясняет нынешнее снижение темпов формирования звёзд. «Мы обнаружили, что за последние 4,5 миллиарда лет звездообразование продолжало существенно снижаться, тогда как космический резервуар нейтрального атомарного водорода менялся на удивление слабо», — отметил исследователь.
Хун Го пояснил, что работа охватывает лишь позднюю фазу снижения космического звездообразования, а не всю его историю. Максимальная скорость формирования звёзд была достигнута гораздо раньше — примерно 10 миллиардов лет назад, в эпоху, которую астрономы иногда называют «космическим полднем». С тех пор этот показатель неуклонно падает. При этом количество нейтрального атомарного водорода изменяется слабо, хотя темпы рождения новых звёзд меняются гораздо сильнее.
Чтобы понять эти результаты, важно учитывать источники топлива для звёздообразования. Формирование звёзд зависит от холодных облаков молекулярного водорода (H2), который образуется из нейтрального водорода (HI). Этот резервуар связывает крупномасштабный круговорот газа в космосе с рождением звёзд в галактиках. Судя по данным, изменения последних 4,5 миллиарда лет происходят не столько в запасах HI, сколько в так называемом барионном цикле — процессе обмена обычного (барионного) вещества между галактиками и межгалактической средой, включая приток материи в галактики и её выброс обратно.
По мере ослабления притока газа из крупномасштабной космической сети снижается эффективность превращения нейтрального водорода в молекулярный. Общий запас нейтрального водорода остаётся стабильным, но молекулярный газ постепенно исчезает и не восполняется, что и влияет на темпы звездообразования. Исследование FAST-DESI служит важным ориентиром для понимания причин недавнего спада и имеет значение для изучения эволюции галактик. Поскольку возможности FAST ограничены периодом около 7,2 миллиарда лет, будущие работы должны охватить более ранние эпохи с помощью глубоких обзоров в широком диапазоне длин волн и частот.