上海
为什么宇宙越来越难以形成新的恒星？因为宇宙老了吗？也许并不那么简单。近日，中国科学院国家天文台、上海天文台、上海交通大学等组成的国际合作团队研究发现，尽管同期宇宙恒星形成活动显著减弱，但作为星系重要气体储备的中性原子氢却仅发生缓慢变化。相关成果于9月1日发表在国际学术期刊《自然·天文》。
寻找宇宙恒星形成速度减缓的原因，是星系形成与演化领域长期关注的核心问题。一个直观而流行的解释是：随着宇宙演化，孕育恒星的冷气体不断被消耗，最终导致造星活动衰退。如果这一图景成立，那么恒星形成率的下降，必然应当伴随着冷气体储备的同步骤减。
中性原子氢（中性氢）是星系中最重要的冷气体储备之一，也是连接星系大尺度气体循环与内部恒星形成的关键纽带。然而，中性氢主要通过极其微弱的21厘米射电谱线被探测，对于遥远星系而言，单个信号往往淹没在背景噪声中。过去的观测长期受限于技术瓶颈，因此对于中低红移宇宙的中性氢总量如何随时间演变，始终缺乏可靠的直接观测证据。
此次研究将中国天眼（FAST）的高灵敏度射电观测与国际暗能量光谱仪（DESI）的大规模光谱巡天深度融合，对距今45亿年以来的宇宙中性氢演化进行了高精度测量。他们分析了覆盖约三分之一天区的约250万个星系。研究团队成功从噪声中提取出平均中性氢信号，从而在前所未有的统计精度与大样本尺度上，精确追踪了宇宙中性氢的演化轨迹。
测量结果显示：45亿年前的宇宙恒星形成率约为今天的2.5倍，而同期的中性原子氢密度仅约为今天的1.4倍。也就是说，在恒星形成活动大幅暴跌的同时，宇宙中的中性氢储备并未同步枯竭。这种演化速率上的强烈反差，直接排除了“中性氢快速耗尽导致恒星形成衰退”这一简单的物理图景。
图为宇宙中性氢密度随红移的演化趋势。黑色圆点代表本研究团队测量的数据点。
这项成果将该领域的探讨焦点，从“气体是否耗尽”成功推进到了“为何中性氢储备充足，恒星形成却日益艰难”。恒星主要诞生于更加致密的分子气体云中，而中性原子氢正处于大尺度气体供应与分子气体形成之间的关键中间节点。
研究提示，晚期宇宙真正发生显著变化的，可能是气体从中性原子氢向分子氢、再到恒星的转化过程。随着宇宙网供气减弱、气体密度降低，中性氢向分子氢转化的效率随之下降，这使得中性氢储备得以保持相对稳定，而真正能直接孕育恒星的分子气体却在逐渐减少。
因此，这项工作的意义远不止于“测量了宇宙中有多少氢”，更是为解释宇宙为何逐渐停止恒星形成提供了全新的关键线索。FAST与DESI的此次联合观测，为理解宇宙晚期气体循环、恒星形成衰退及星系演化确立了新的重要观测基准。
该研究由中国科学院国家天文台姜鹏研究员团队、上海天文台郭宏研究员团队，以及上海交通大学杨小虎教授、景益鹏院士团队，联合DESI国际团队共同完成。
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