Запас водорода во Вселенной стабилен: почему звезды стали рождаться реже

Анализ данных более двух миллионов галактик показал, что запас атомарного водорода во Вселенной остается стабильным на протяжении последних 4,5 миллиарда лет.

Фото: https://unsplash.com by Shot by Cerqueira is licensed under Free

Космос и сияющая энергия

Исследование позволяет утверждать, что общее снижение темпов звездообразования вызвано не истощением первичного резервуара газа, а затруднением его перехода в молекулярную форму. Однако работа опирается на метод усреднения сигналов, что ограничивает возможность анализа каждой галактики в отдельности.

Метод спектрального сложения

Основной сложностью исследования стал слабый радиосигнал атомарного водорода (H I) на линии 21 сантиметр. На космологических расстояниях излучение одной галактики слишком мало для надежной регистрации.

Чтобы обойти это ограничение, авторы объединили данные радиотелескопа FAST и спектроскопического обзора DESI, охватив выборку из 2 473 945 галактик.

Поскольку индивидуальные сигналы были неразличимы, ученые применили технику спектрального сложения. Сначала спектры всех объектов выровняли с учетом их красного смещения (изменения длины волны из-за удаления объекта от наблюдателя), чтобы привести сигнал H I к единому значению. Затем спектры суммировали: случайный шум при таком подходе нивелируется, а слабый полезный сигнал усиливается.

"Спектральное сложение превращает тысячи слабых, зашумленных сигналов в один четкий профиль. Это позволяет видеть общие закономерности для целых групп галактик, но при этом стирает индивидуальные особенности каждого конкретного объекта", — объяснил астрофизик Алексей Руднев.

Динамика запасов водорода

Исследователи разделили галактики по их звездной массе и вычислили среднюю долю атомарного водорода (отношение массы газа к массе звезд). Выяснилось, что массивные галактики обладают меньшим запасом H I по сравнению с менее массивными.

При сравнении современных систем с теми, что существовали 4,5 миллиарда лет назад, ученые зафиксировали высокую стабильность состава. Доля атомарного водорода в галактиках разных масс изменилась менее чем в 1,6 раза.

Космическая плотность газа — его общая доля во всем веществе галактик — снизилась всего в 1,35 раза. С учетом поправок на смешение сигналов соседних объектов и особенности выборки, падение составило примерно 1,12 раза.

Сравнение этих цифр показывает, что сырье для создания звезд (атомарный водород) почти не исчезло, в то время как сам процесс рождения светил резко замедлился.

Причины замедления звездообразования

Результаты указывают на то, что проблема кроется в переходе газа из атомарного состояния (H I) в молекулярное (H₂), которое является непосредственным строительным материалом для звезд. Авторы работы, опубликованной в Nature Astronomy, предполагают, что эффективность этого перехода упала из-за внешних факторов.

Одной из причин может быть снижение притока вещества из межгалактического пространства, что меняет физические условия в дисках галактик. В массивных системах процесс дополнительно тормозят активные ядра галактик и окружающий их горячий газ, которые создают своего рода барьер для поступления холодного вещества.

Границы выводов

Работа позволяет утверждать, что общее количество атомарного водорода во Вселенной не является лимитирующим фактором для современного звездообразования.

Однако исследование не дает прямого ответа на вопрос, какие именно физические механизмы внутри дисков препятствуют сжатию газа в молекулярные облака.

Метод сложения спектров дает среднюю картину по группе, но не позволяет проследить эволюцию конкретной галактики. Чтобы подтвердить гипотезу о влиянии активных ядер и горячего газа, потребуются наблюдения с более высоким разрешением, способные изолировать эти факторы в отдельных объектах.

В итоге работа доказывает, что "топливный бак" Вселенной все еще полон, но "топливная система" перестала эффективно подавать газ в зону горения. Для полной проверки этой модели необходимо детальное изучение процессов охлаждения газа в массивных галактиках.