Dlaczego we Wszechświecie powstaje coraz mniej gwiazd? Astronomowie wskazują, że nie chodzi o brak „paliwa”

Najnowsze obserwacje pokazują, że we Wszechświecie powstaje coraz mniej gwiazd, mimo że ilość neutralnego wodoru atomowego, stanowiącego ważny zasób gazu w galaktykach, w ciągu ostatnich 4,5 miliarda lat zmniejszyła się jedynie nieznacznie. Wyniki badań wskazują, że przyczyny spadku aktywności gwiazdotwórczej nie należy szukać w szybkim wyczerpywaniu się wodoru, lecz w procesach związanych z jego przepływem i przekształcaniem w gaz molekularny.

Dlaczego powstaje coraz mniej gwiazd mimo dużych zasobów gazu

.W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem astronomów z Chinese Academy of Sciences (CAS), wykorzystując radioteleskop Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) i Dark Energy Spectroscopic Instrument, do przeprowadzenia bardzo precyzyjnych pomiarów kosmicznego neutralnego wodoru atomowego z okresu ostatnich 4,5 miliarda lat, odkryli, że we Wszechświecie powstaje coraz mniej gwiazd. W tym czasie tempo ich narodzin spadło do mniej niż połowy wcześniejszego poziomu. Jednak nie zostało to spowodowane niedoborem najważniejszego „paliwa” potrzebnego do powstawania gwiazd, ponieważ jego ilość zmniejszyła się tylko nieznacznie. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Nature Astronomy”.

Analizy wykazały, że choć tempo powstawania gwiazd we Wszechświecie w czasie ostatnich 4,5 miliarda lat gwałtownie spadło, ilość neutralnego wodoru atomowego (HI), stanowiącego ważny zasób gazu w galaktykach, zmniejszyła się jedynie nieznacznie.

Astronomowie od dawna zastanawiają się, dlaczego Wszechświatowi coraz trudniej jest tworzyć nowe gwiazdy. Naturalnym wyjaśnieniem jest to, że wraz z jego wiekiem zimny gaz napędzający ich narodziny jest stopniowo zużywany, co nieuchronnie prowadzi do spadku tempa formowania się tych obiektów. Gdyby tak było, powinno temu towarzyszyć równie wyraźne zmniejszanie się zasobów zimnego gazu. Jednak naukowcy nie zaobserwowali takiego ubytku.

HI stanowi ważny zasób zimnego gazu w galaktykach i odgrywa istotną rolę w kosmicznym cyklu gazowym, łącząc procesy zachodzące w dużej skali z powstawaniem gwiazd wewnątrz galaktyk. Neutralny wodór atomowy można wykrywać głównie dzięki niezwykle słabej emisji radiowej na fali o długości 21 centymetrów. Jednak, jak tłumaczą astronomowie, sygnały pochodzące od pojedynczych, odległych galaktyk są często tak słabe, że giną w szumie tła.

Z tego powodu obserwacje o bardzo dużej czułości, niezbędne do wykrywania niezwykle słabych sygnałów neutralnego wodoru, nie mogły jednocześnie obejmować dużych obszarów nieba. Z kolei przeglądy szerokiego pola nie zapewniały wystarczającej czułości. W efekcie zmiany całkowitej masy HI we Wszechświecie o niskim i pośrednim przesunięciu ku czerwieni pozostawały trudne do bezpośredniego i wiarygodnego określenia.

Astronomowie zmierzyli ilość wodoru w milionach galaktyk

.Aby pokonać tę przeszkodę, astronomowie w nowym badaniu połączyli niezwykle wysoką czułość radiową FAST z ogromnym przeglądem spektroskopowym DESI w zakresie optycznym. Naukowcy przeanalizowali około 2,5 miliona galaktyk, obejmujących niemal jedną trzecią nieba.

Wykorzystując innowacyjną technikę łączenia sygnałów wodoru, naukowcy zestawili ze sobą słabe emisje radiowe pochodzące od wielu galaktyk. Dzięki precyzyjnym pomiarom przesunięcia ku czerwieni mogli odpowiednio je dopasować, a następnie wydobyć z szumu średnią wartość HI. Pozwoliło im to prześledzić ewolucję neutralnego wodoru atomowego we Wszechświecie z niespotykaną wcześniej precyzją, na podstawie tak dużej próby galaktyk.

Jak podkreślają astronomowie, te precyzyjne pomiary ujawniły wyraźną rozbieżność. 4,5 miliarda lat temu tempo powstawania gwiazd we Wszechświecie było około 2,5 raza wyższe niż obecnie, podczas gdy odpowiadająca mu gęstość neutralnego wodoru atomowego była jedynie około 1,4 raza większa od obecnej. Ich zdaniem oznacza to, że choć aktywność związana z powstawaniem gwiazd gwałtownie spadła, kosmiczne zasoby HI nie zmniejszyły się w tym samym czasie. Pokazuje to, że szybkie zużywanie wodoru nie może wyjaśniać spadku tempa formowania się tych obiektów.

Kluczowy może być sposób, w jaki gaz krąży we Wszechświecie

.Zdaniem naukowców odkrycie to zmienia sposób postrzegania spadku aktywności gwiazdotwórczej we Wszechświecie. Kluczowe staje się nie to, czy zasoby gazu się wyczerpują, lecz dlaczego mimo wciąż dużej ilości neutralnego wodoru we Wszechświecie powstaje coraz mniej gwiazd.

Powstają one przede wszystkim w gęstszych obłokach gazu molekularnego. Neutralny wodór atomowy znajduje się na pośrednim etapie między wielkoskalowym dopływem materii z kosmicznej sieci a powstawaniem gazu molekularnego. Badanie sugeruje, że najważniejsze zmiany zachodzące w późniejszym okresie mogą dotyczyć nie całkowitej ilości HI, lecz przepływu gazu w procesie obiegu materii we Wszechświecie.

Wraz ze słabnięciem dopływu materii z kosmicznej sieci i spadkiem gęstości gazu prawdopodobnie spada także efektywność przekształcania HI w wodór molekularny. W efekcie ilość neutralnego wodoru atomowego zmienia się tylko nieznacznie, podczas gdy gaz molekularny, z którego bezpośrednio powstają gwiazdy, stopniowo się zmniejsza.

Jak wskazują astronomowie, znaczenie tych badań wykracza daleko poza samo określenie ilości wodoru obecnego we Wszechświecie. Uzyskane wyniki dostarczają ważnych wskazówek pomagających wyjaśnić, dlaczego z upływem czasu powstaje w nim coraz mniej nowych gwiazd, a aktywność związana z ich narodzinami stopniowo słabnie.

Emil Gołoś