宇宙正在製造更少的恆星「寶寶」。在過去的45億年中，新恆星形成的速率已下降到先前的一半以下。然而，一種對恆星形成至關重要的「燃料」供應量卻出人意料地變化不大。
這項發現來自一個由中國科學院（CAS）科學家領導的國際研究團隊，他們與暗能量光譜儀（DESI）項目合作。研究人員利用中國的五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST），對過去45億年來的宇宙中性原子氫進行了精確測量。
他們的研究結果顯示出驚人的不匹配。恆星形成急劇下降，而中性原子氫（HI），作為星系內重要的氣體儲庫，其含量僅適度減少。
這些發現已於9月1日在《自然天文學》線上發表。
為何宇宙製造的恆星越來越少？
了解為何隨著宇宙老化，恆星形成變得不那麼活躍，是星系形成與演化研究中的一個重大問題。一個看似簡單的解釋是，星系已逐漸消耗了產生恆星所需的冷氣體。
然而，如果氣體供應減少是主要原因，天文學家預期恆星形成的大幅下降應伴隨著可用氣體同樣大幅度的減少。到目前為止，觀測尚未顯示出如此急劇的消耗。
HI 在這個謎團中扮演著核心角色。它是星系內一個重要的冷氣體儲庫，連接了宇宙更廣泛的氣體供應與最終產生新恆星的過程。天文學家主要透過其極其微弱的21公分無線電發射線來偵測 HI。
從遙遠的星系偵測到該訊號非常困難，因為它經常被背景雜訊所淹沒。
FAST 和 DESI survey 數百萬個星系
多年來，天文學家面臨著一個主要的觀測挑戰。非常深入的 survey 能夠達到所需的靈敏度，但無法檢視大片天空區域。而涵蓋更大區域的 survey，則通常缺乏偵測如此微弱無線電訊號所需的靈敏度。
因此，科學家們一直難以直接且可靠地確定宇宙的總 HI 質量在低至中等紅移宇宙中是如何變化的。
這項新研究透過結合 FAST 卓越的無線電靈敏度與 DESI 提供的龐大光譜數據集來解決這個問題。該團隊研究了橫跨近三分之一天空的約250萬個星系。
研究人員使用了一種 HI 光譜堆疊方法，將原本過於微弱而無法單獨偵測到的無線電訊號結合起來。利用每個星系紅移的精確測量，他們對齊了微弱的訊號並將其堆疊在一起。這個過程使得平均 HI 訊號能夠從背景雜訊中顯現出來。
這種方法使科學家能夠以前所未有的樣本規模和極高的統計精度，追蹤宇宙中性氫的變化。
恆星形成下降速度遠快於氫氣
結果揭示了恆星形成演化與中性氫供應之間的一個重大差異。
大約45億年前，宇宙的恆星形成率約為現在的2.5倍。然而，在同一時期，中性原子氫密度僅約為現在水平的1.4倍。
換句話說，恆星形成急劇下降，但宇宙的 HI 儲庫並沒有同等程度的消失。這些發現表明，快速耗盡中性氫本身無法解釋為何恆星形成會如此強烈地下降。
根據研究人員的說法，這些結果將核心問題從「氣體是否正在枯竭」轉變為「為何儘管中性氫儲備充足，形成恆星卻越來越困難」。
恆星並非直接由大多數中性原子氫形成。它們主要誕生於更緻密的分子氣體雲中。中性原子氫在宇宙較大的氣體供應與最終能提供恆星形成燃料的分子氫之間，佔據了一個重要的中間位置。
研究人員建議，近期宇宙中最重要的變化可能涉及氣體如何在重子循環中移動，而不是總體 HI 的數量。
隨著來自宇宙網的氣體流減弱，氣體密度下降，星系將越來越難將 HI 轉化為分子氫。在此情境下，總體的 HI 儲庫可以保持相對穩定，而直接負責創造恆星的分子氣體供應則逐漸減少。
為何宇宙的恆星工廠正在衰退
因此，這些發現的意義不僅僅在於確定宇宙中氫氣的總量。這些發現為理解宇宙巨大的恆星形成引擎為何逐漸減速提供了重要的線索。
根據研究人員的說法，結合 FAST 和 DESI 的觀測，為研究宇宙後期演化中的宇宙氣體循環、恆星形成長期下降以及塑造星系的更廣泛過程，提供了一個新的觀測基準。
這項研究由中國科學院國家天文台、中國科學院上海天文台以及上海交通大學的科學家領導，並有參與 DESI 的研究人員共同參與。
貢獻者來自亞洲、北美和歐洲的研究機構。這項合作展示了結合高靈敏度無線電觀測與龐大光譜 survey 的科學潛力。