За останні мільярди років Всесвіт народжує дедалі менше зір, але причина цього виявилася не такою простою, як вичерпання «пального». Нове дослідження, описане виданням Universe Today, показало: запаси нейтрального водню, з якого зрештою формуються зорі, майже не змінилися за 4,5 мільярда років, хоча темпи зореутворення за цей час різко впали.
Як шукали зореутворювальне «паливо»
Міжнародна команда під керівництвом Хун Го (Hong Guo) з Китайської академії наук вивчала, як змінювалася кількість нейтрального атомарного водню HI в космосі та наскільки активно за цей період утворювалися нові зорі.
Астрономи використали радіотелескоп FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) для високоточного вимірювання випромінювання нейтрального водню на хвилі 21 сантиметр. Доповнили ці дані спостереженнями у рамках проєкту Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI).
Загалом дослідження охопило приблизно 2,5 мільйона галактик, що займають майже третину небесної сфери. На основі цього масиву даних науковці відтворили, як змінювався запас HI і швидкість народження нових зір за останні 4,5 мільярда років.
Результат виявився несподіваним. Приблизно 4,5 млрд років тому темп зореутворення у Всесвіті був у середньому у 2,5 раза вищий, ніж сьогодні. Водночас середня щільність нейтрального водню була лише у 1,4 раза більшою, ніж зараз.
Тобто швидкість утворення зір сильно впала, а глобальний «резервуар» атомарного водню змінився лише помірно. За словами Го, це явно не те, чого очікували дослідники, якщо спад зореутворення пояснювати лише нестачею сировини.
Від нейтрального водню до холодних хмар
Щоби зрозуміти цей парадокс, потрібно пригадати, з чого виникають зорі. Вони утворюються в холодних молекулярних хмарах водню (H2), на кшталт темної хмари Барнард 68, де щільний газ і пил злипаються під дією гравітації.
Логічно було б очікувати, що з часом молекулярний газ просто «вигорає» в зорях, і тому зореутворення слабшає. Однак для появи H2 спершу потрібен нейтральний водень HI, який виступає проміжною ланкою між розрідженим космічним газом і щільними молекулярними хмарами.
Нове дослідження показує: саме загальний запас HI залишається відносно стабільним, тоді як кількість молекулярного газу, зручного для народження зір, скорочується. Отже, проблема, ймовірно, не в повному «виснаженні» водню як такого, а в процесах, що визначають, як саме він переходить із однієї форми в іншу.
Баріонний цикл і «збій» у постачанні газу
Автори роботи припускають, що ключ лежить у так званому баріонному циклі — циркуляції звичайної (баріонної) матерії між галактиками та міжгалактичним середовищем.
Цей цикл включає кілька процесів: газ із великомасштабної космічної павутини надходить у галактики, охолоджується, ущільнюється, частина його перетворюється на молекулярні хмари і зорі. Водночас наднові вибухи, активні чорні діри та інші енергетичні явища можуть викидати частину речовини назад у міжгалактичний простір.
Згідно з інтерпретацією команди, у «сучасну» епоху Всесвіту надходження газу з космічної павутини стає слабшим і менш ефективним. У результаті все важче перетворювати нейтральний водень на холодний молекулярний H2. Сумарна маса HI майже не змінюється, але молекулярний газ поступово зникає і вже не поповнюється.
Саме це знижує швидкість утворення зір, пояснюючи помітний спад, який астрономи спостерігають протягом останніх кількох мільярдів років космічної історії.
Що ще лишається незрозумілим
Дослідження FAST–DESI описує лише «пізню стадію» занепаду зореутворення. Астрономи нагадують, що його пік припав на епоху так званого «космічного полудня» приблизно 10 мільярдів років тому (червоний зміщення z≈2). Відтоді темп народження нових зір загалом постійно спадає.
Телескоп FAST може простежити нейтральний водень лише до віку близько 7,2 мільярда років у минуле. Щоб зрозуміти ранніші етапи, потрібні глибші огляди на різних довжинах хвиль, які зможуть «дістатися» сигналів із ще давніших епох.
Попри обмеження, нова робота задає важливий орієнтир: спад зореутворення в останні мільярди років не можна пояснити простою «паливною кризою». Вирішальну роль, схоже, відіграє те, як саме Всесвіт переробляє баріонну матерію та наскільки ефективно перетворює нейтральний водень на молекулярний газ у галактиках.