Spadek aktywności gwiazdotwórczej nie wynika z braku wodoru
Naukowcy kierowani przez astronomów z Chinese Academy of Sciences (CAS) wykorzystali radioteleskop Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) oraz Dark Energy Spectroscopic Instrument do przeprowadzenia bardzo dokładnych pomiarów neutralnego wodoru atomowego z okresu obejmującego ostatnie 4,5 miliarda lat. Analiza pokazała, że liczba nowo powstających gwiazd we Wszechświecie systematycznie maleje. W badanym okresie tempo ich narodzin spadło do poziomu niższego niż połowa wcześniejszej wartości. Jednocześnie nie można tego spadku przypisać niedostatkowi podstawowego „paliwa” potrzebnego do formowania gwiazd, ponieważ ilość wodoru zmieniła się jedynie nieznacznie. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie „Nature Astronomy”.
Z przeprowadzonych analiz wynika, że mimo znacznego osłabienia tempa powstawania gwiazd w ciągu ostatnich 4,5 miliarda lat zasoby neutralnego wodoru atomowego (HI), który stanowi istotną część gazu obecnego w galaktykach, uległy tylko niewielkiemu zmniejszeniu.
Od dawna przedmiotem zainteresowania astronomów pozostaje pytanie o przyczynę coraz słabszego tempa tworzenia nowych gwiazd we Wszechświecie. Jednym z naturalnych wyjaśnień było stopniowe zużywanie zimnego gazu, który umożliwia ich narodziny wraz z upływem czasu. W takim przypadku spadkowi aktywności gwiazdotwórczej powinno jednak odpowiadać równie wyraźne zmniejszenie ilości dostępnego zimnego gazu. Takiego zjawiska badacze nie stwierdzili.
Neutralny wodór atomowy pełni ważną funkcję jako zasób zimnego gazu w galaktykach oraz uczestniczy w kosmicznym obiegu gazu, łącząc procesy zachodzące w dużej skali z formowaniem gwiazd wewnątrz galaktyk. Jego obecność można przede wszystkim wykrywać za pomocą bardzo słabej emisji radiowej o długości fali 21 centymetrów. Sygnały emitowane przez pojedyncze odległe galaktyki są jednak często tak słabe, że pozostają niewyróżnialne na tle szumu.
Obserwacje wymagające bardzo wysokiej czułości, pozwalającej rejestrować słabe sygnały neutralnego wodoru, nie mogły jednocześnie obejmować rozległych fragmentów nieba. Odwrotny problem dotyczył przeglądów szerokiego pola, które nie zapewniały odpowiedniej czułości. Z tego powodu wiarygodne i bezpośrednie określenie zmian całkowitej masy HI we Wszechświecie przy niskim i pośrednim przesunięciu ku czerwieni pozostawało trudne.
FAST i DESI pozwoliły zbadać wodór w około 2,5 miliona galaktyk
W nowej analizie badacze połączyli bardzo wysoką czułość radioteleskopu FAST z rozległym przeglądem spektroskopowym DESI prowadzonym w zakresie optycznym. W ten sposób objęli badaniem około 2,5 miliona galaktyk znajdujących się na obszarze odpowiadającym niemal jednej trzeciej nieba.
Naukowcy zastosowali technikę polegającą na łączeniu sygnałów pochodzących od wodoru z wielu galaktyk. Dzięki dokładnym pomiarom przesunięcia ku czerwieni mogli odpowiednio zestawić ze sobą poszczególne sygnały, a następnie wyodrębnić z szumu ich średnią wartość HI. Umożliwiło to znacznie dokładniejsze niż wcześniej prześledzenie zmian ilości neutralnego wodoru atomowego we Wszechświecie na podstawie tak obszernej próbki galaktyk.
Uzyskane pomiary pokazały wyraźną różnicę między ewolucją aktywności gwiazdotwórczej a ilością HI. Około 4,5 miliarda lat temu tempo powstawania gwiazd było we Wszechświecie mniej więcej 2,5 raza większe niż obecnie. W tym samym czasie odpowiadająca mu gęstość neutralnego wodoru atomowego była około 1,4 raza wyższa niż dzisiaj. Według astronomów oznacza to, że silnemu ograniczeniu aktywności związanej z narodzinami gwiazd nie towarzyszyło porównywalne zmniejszenie kosmicznych zasobów HI. Tym samym samo szybkie zużywanie wodoru nie wyjaśnia spadku tempa formowania gwiazd.
Przepływ gazu może mieć znaczenie dla narodzin nowych gwiazd
Zdaniem badaczy wyniki wskazują na potrzebę innego spojrzenia na przyczyny słabnięcia aktywności gwiazdotwórczej we Wszechświecie. Istotne może być nie samo zmniejszanie się zasobów gazu, lecz sposób, w jaki neutralny wodór przemieszcza się i uczestniczy w jego kosmicznym obiegu.
Gwiazdy powstają przede wszystkim w gęstszych strukturach utworzonych z gazu molekularnego. Neutralny wodór atomowy znajduje się pomiędzy wielkoskalowym dopływem materii z kosmicznej sieci a etapem formowania gazu molekularnego. Wyniki badania wskazują, że zmiany zachodzące w późniejszej epoce mogą dotyczyć przede wszystkim przepływu gazu w ramach obiegu materii, a nie całkowitej ilości HI.
Osłabienie dopływu materii z kosmicznej sieci oraz zmniejszenie gęstości gazu może wiązać się ze spadkiem efektywności przemiany HI w wodór molekularny. W takim przypadku zasób neutralnego wodoru atomowego może zmieniać się jedynie w niewielkim stopniu, podczas gdy ilość gazu molekularnego, bezpośrednio wykorzystywanego do powstawania gwiazd, stopniowo maleje.
Astronomowie podkreślają, że znaczenie przeprowadzonych badań nie ogranicza się do ustalenia ilości wodoru obecnego we Wszechświecie. Wyniki pozwalają lepiej zrozumieć, dlaczego wraz z upływem czasu rodzi się w nim coraz mniej nowych gwiazd, a aktywność związana z ich powstawaniem stopniowo słabnie.
Mariusz Drzewiecki
