コロラド対ジョージア工科大学
宇宙が生み出す星の「赤ちゃん」の数は少なくなります。過去 45 億年間で、新しい星の形成速度は以前の半分以下に低下しました。しかし、星形成にとって最も重要な種類の「燃料」の供給は、驚くほどほとんど変わっていない。
この発見は、ダークサイド分光装置 (DESI) プロジェクトに協力している中国科学院 (CAS) の科学者が率いる国際研究チームによってもたらされました。研究者らは、中国の500メートル球面電波望遠鏡（FAST）を使用して、過去45億年にわたって宇宙の中性原子水素の正確な測定を行ってきた。
彼らの結果は顕著な矛盾を示しています。星の形成は急激に減少したが、銀河内の重要なガス貯蔵庫である中性原子水素 (HI) の量はほんのわずかしか減少しなかった。
調査結果はオンラインで公開されました 自然の天文学 9月1日。
なぜ宇宙には星の数が少ないのでしょうか?
宇宙の老化に伴ってなぜ星の形成が活発でなくなったのかを理解することは、銀河の形成と進化の研究における中心的な問題です。一見単純な説明の 1 つは、銀河が星の形成に必要な冷たいガスを徐々に消費しているということです。
しかし、冷たいガス供給の枯渇が主な原因である場合、天文学者は、星形成の急激な低下には、同様に利用可能なガスの大幅な低下が伴うと予想するでしょう。これまでのところ、観測ではそのような急激な減少は示されていません。
HI はこのパズルで中心的な役割を果たします。それは銀河内の冷たいガスの重要な貯蔵庫であり、より広範な宇宙のガス供給を、最終的に新しい星を生成するプロセスに接続します。天文学者は主に、非常に弱い 21 cm の電波輝線によって HI を検出します。
この信号はバックグラウンドノイズに覆われてしまうことが多いため、遠くの銀河からこの信号を検出することは困難です。
何百万もの銀河の FAST および DESI 調査
長年にわたり、天文学者は観測に関する大きな課題に直面してきました。非常に深い調査では必要な感度を達成できますが、空の広い領域を調べることはできません。一方、はるかに広い地域をカバーする調査では、一般的にそのような微弱な無線信号を検出する感度が不足しています。
その結果、科学者たちは、HI の総質量が宇宙全体で低赤から中赤に変化したことを直接かつ確実に判断するのに苦労してきました。
新しい研究では、FAST の卓越した無線感度と DESI が提供する大規模な光分光法スイートを組み合わせることにより、この問題を解決しました。研究チームは、空の約 3 分の 1 に広がる約 250 万個の銀河を研究しました。
研究者らは、HI スペクトルスタッキング技術を使用して、個別に検出するには弱すぎる無線信号を結合しました。各銀河の赤化の正確な測定を使用して、彼らは弱い信号を組み合わせて結合しました。このプロセスにより、バックグラウンド ノイズから平均 HI 信号が生成されるようになりました。
このアプローチにより、科学者は前例のないサイズのサンプルを使用し、非常に高い統計精度で宇宙の中性水素の変化を追跡することができました。
星の形成は水素よりもはるかに速く落ちた
その結果、星形成の進化と中性水素の供給との間には根本的な違いがあることが明らかになった。
約45億年前、宇宙の星の形成速度は現在の約2.5倍でした。しかし、同じ時期に、中性原子状水素の密度は現在のレベルの 1.4 倍にすぎませんでした。
言い換えれば、宇宙のHI貯蔵庫が同様に消失することなく、星の形成は劇的に減少したということだ。この研究結果は、中性水素が急速に減少するだけでは、星の形成がこれほど劇的に遅くなった理由を説明できないことを示唆している。
変化する宇宙の謎
研究者らによると、この結果は中心的な疑問を「ガスが枯渇しているのか」から「中性水素が豊富に供給されているにもかかわらず、なぜ星形成が難しいのか」に変えたという。
星は、ほとんどの中性原子状水素から直接形成されるわけではありません。それらは主に分子ガスのより濃い雲の中で生まれます。中性原子状水素は、宇宙に供給される膨大なガスと分子状水素の間の重要な中間位置を占めており、最終的には星の形成を促進することができます。
研究者らは、最近の宇宙における最も重要な変化は、一般にどれだけのHIが存在するかではなく、バリオンサイクルを通じてガスがどのように移動するかである可能性があると示唆している。
宇宙の網からのガスの流出が弱まり、ガス密度が減少するにつれて、銀河が HI を分子状水素に変換する効率が低下する可能性があります。このシナリオでは、HI の総プールは比較的一定のままである可能性がありますが、星形成に直接関与する分子ガスのプールは徐々に減少します。
なぜ宇宙のスター工場は衰退するのでしょうか？
したがって、結果は宇宙内の水素の量を決定する以上のものではありません。この発見は、宇宙の巨大な星形成エンジンがなぜ減速しているのかを示す重要な新たな証拠を提供するものである。
研究者らによると、FASTとDESIの観測を組み合わせることで、宇宙の後期進化における宇宙ガスの循環、星形成の長期的な衰退、および銀河形成の広範なプロセスを研究するための新しい観測ベンチマークが提供されるという。
この研究は、中国国立天文台、CAS上海天文台、上海交通大学の科学者とDESI参加研究者によって主導された。
アジア、北米、ヨーロッパの研究機関からの寄稿者が集まっています。この共同作業は、高感度の電波観測と大規模な光学分光研究を組み合わせる科学的可能性を実証します。
