宇宙有大量燃料，为何恒星诞生越来越少？__财经头条_

FAST（500米口径球面射电望远镜）和DESI（暗能量光谱仪）重塑了我们对宇宙演化的认知。来源：科学院国家天文台和科学院上海天文台

宇宙中仍有大量的氢，但它将这些燃料转化为新恒星的能力似乎正在减弱。

现在，宇宙中诞生的新恒星数量远不及数十亿年前。在过去的45亿年里，宇宙恒星形成率降至不到原来的一半。然而，恒星形成所需的一种最重要物质的数量仅略有减少。

一个由科学院（CAS）研究人员牵头的国际团队，携手暗能量光谱仪（DESI）项目开展了研究。在研究了宇宙中中性原子氢的演化之后，他们得出了这一结论。研究人员利用的五百米口径球面射电望远镜（FAST）进行了极为精确的测量，测量范围涵盖了过去45亿年的时间。

他们的研究结果表明，宇宙恒星形成率急剧下降，而星系内主要的气体储备——中性氢（HI）的变化幅度则小得多。

这些研究结果于9月1日在线发表在《自然天文学》杂志上。

恒星形成的长期谜团

为什么宇宙形成恒星的效率变低了，是星系形成与演化研究中的主要问题之一。

一种看似简单的解释是，星系逐渐耗尽了形成新恒星所需的冷气体。如果这是主要原因，那么恒星形成的急剧下降应该伴随着宇宙中冷气体供应同样陡峭的减少。然而，天文学家并没有观察到这样的下降。

中性氢（HI）在这一过程中起着重要作用。它是星系中主要的冷气体储存库，有助于将宇宙中气体的大规模运动与单个星系内部的恒星形成联系起来。天文学家主要通过其极其微弱的21厘米射电发射线来探测中性氢（HI）。

探测来自遥远星系的这种信号很困难，因为它常常被背景噪声淹没。

多年来，这带来了一项重大的观测挑战。深度巡天的灵敏度足以探测到微弱信号，但只能观测天空中相对较小的区域。更广泛的巡天能够覆盖更大的区域，但通常缺乏测量如此微弱射电辐射所需的灵敏度。因此，天文学家一直难以直接且可靠地追踪在低到中等红移的宇宙中，中性氢（HI）的总量是如何变化的。

结合FAST和DESI

这项新研究通过结合FAST卓越的射电灵敏度与DESI所收集的大规模光学光谱数据集，解决了这一局限性。

该团队对分布在近三分之一天空中的约250万个星系进行了研究。随后，研究人员采用了氢原子（HI）光谱叠加技术，将许多单独来看过于微弱而无法检测到的无线电信号合并起来。

他们利用对每个星系红移的精确测量，在叠加之前对微弱信号进行了对齐。这种方法使平均中性氢信号从背景噪声中显现出来，从而让研究团队获得了关于宇宙中中性氢演化过程异常清晰的图像。

结果揭示了一种显著的不匹配。

大约45亿年前，宇宙形成恒星的速率约为今天的2.5倍。然而，在同一时期，中性原子氢的密度仅比当前水平高出约1.4倍。

换句话说，恒星形成的减少速度比宇宙中中性氢（HI）的储备减少速度快得多。中性氢的供应并没有以相近的速度耗尽。

这就使得仅仅将恒星形成率的下降解释为星系迅速耗尽其氢的结果变得困难。

为什么宇宙难以形成恒星？

据研究人员称，这些发现将核心问题从这种气体是否正在耗尽转变为为何尽管有丰富的中性氢储备，恒星形成却越来越困难。

恒星通常并非直接由中性原子氢形成，而是诞生于密度高得多的分子气体云内部。中性氢在宇宙大尺度气体供应与最终驱动恒星形成的分子氢之间，占据着重要的中间位置。

研究结果表明，宇宙后期发生的重大变化可能涉及气体如何在重子循环中移动，而非中性氢总体供应量的简单减少。

随着来自宇宙网的气体流减弱以及气体密度降低，星系在将中性氢（HI）转化为分子氢的过程中可能会变得效率更低。在这种情况下，即使形成恒星所需的分子气体逐渐变得稀缺，宇宙仍可能保留相对稳定的中性原子氢储备。

这有助于解释为什么宇宙中仍含有大量潜在的恒星形成物质，但新恒星的形成却越来越少。

对宇宙气体循环的新见解

这些发现的重要性不仅在于测量宇宙中氢的总量。它们为星系内部巨大的恒星引擎为何会逐渐减速提供了新的证据。

研究人员指出，FAST与DESI的联合观测为研究宇宙气体循环的晚期阶段、恒星形成活动的长期衰减以及星系的整体演化确立了新的基准。

参考文献10.1038s41550026029659

这项研究由国家天文台、科学院上海天文台和上海交通大学的科学家牵头，与参与暗能量光谱仪（DESI）项目的研究人员共同开展。研究贡献者来自亚洲、北美和欧洲的多家机构，这体现了将高灵敏度射电测量与大规模光学光谱学相结合的价值。

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