За прошедшие 4,5 миллиарда лет скорость появления новых звезд уменьшилась приблизительно в два с половиной раза. При этом объем атомарного водорода – основного компонента, из которого формируются галактики, – существенно не изменился. По мнению исследователей, причиной замедления процесса стал менее продуктивный переход газа в молекулярную форму водорода.

Атомарный водород играет ключевую роль в циркуляции вещества внутри галактик. Газ в них присутствует в различных состояниях: атомарном (H I) и молекулярном (H₂). Атомарный водород может переходить в молекулярный, из которого впоследствии возникают звезды. Учитывая снижение скорости звездообразования и уменьшение количества молекулярного водорода во Вселенной, ученые стремятся выяснить, не сокращается ли также быстро запас атомарного водорода.

Проверка этой гипотезы оказалась сложной задачей. Радиоизлучение на длине волны 21 сантиметр позволяет выявлять атомарный водород, однако на больших космических расстояниях оно слишком слабое для надежного обнаружения у большинства галактик. Предыдущие работы основывались на ограниченных выборках данных, что ограничивало точность результатов.

Совмещая данные, полученные с использованием радиотелескопа FAST и спектроскопического обзора DESI, авторы нового исследования провели анализ 2 473 945 галактик. DESI предоставил точные значения красного смещения – явление, при котором спектральные линии галактики смещаются в сторону более длинных волн, что позволяет оценить расстояние до них и время, прошедшее с момента излучения света, а FAST – спектры излучения атомарного водорода.

Ввиду того, что удаленные галактики кажутся неяркими из-за большого расстояния, исследователи использовали метод спектрального суммирования. На первом этапе они скорректировали спектры галактик с учетом эффекта красного смещения, чтобы обеспечить совпадение положения линии атомарного водорода в каждом спектре. Затем эти спектры были объединены. Этот процесс позволяет ослабить случайные шумы и повысить заметность сигнала H I.

Далее галактики были классифицированы по их звездной массе, после чего была определена средняя доля атомарного водорода – отношение массы H I к массе звезды. Эта доля демонстрирует выраженную зависимость от массы: более массивные галактики имеют меньший запас атомарного водорода.

Тем не менее, содержание H I в галактиках оставалось относительно стабильным. Сравнительный анализ современных галактик с одинаковой звездной массой и галактиками, которые мы наблюдаем такими, какими они были 4,5 миллиарда лет назад, показал, что доля атомарного водорода изменилась незначительно – не более чем в 1,6 раза. Примечательно, что эта устойчивость характерна для галактик с различной массой.

Для определения общего объема атомарного водорода была рассчитана его космическая плотность – доля этого газа во всем веществе галактик. Согласно полученным данным, за последние 4,5 миллиарда лет она сократилась лишь на 1,35 раза. После внесения дополнительных корректировок с учетом особенностей выборки и возможного влияния сигналов от близлежащих галактик снижение оказалось еще менее выраженным – приблизительно в 1,12 раза. Для сравнения, интенсивность звездообразования за тот же период снизилась почти в 2,5 раза.

Таким образом, несмотря на снижение темпов появления новых звезд, общий объем этого ресурса сохраняет относительную устойчивость. Наиболее существенные трансформации, как представляется, происходят на последующем этапе, связанном с переходом атомарного газа в молекулярное состояние.

Согласно мнению авторов научной публикации, опубликованной в журнале Nature Astronomy, одной из возможных причин является снижение притока вещества из окружающей среды: это приводит к изменениям условий в галактических дисках, что критически важно для формирования молекулярного газа.

В крупных галактиках на процесс могут оказывать влияние горячие газовые облака и активные ядра галактик, препятствующие доставке холодного вещества к дискам. В результате, эффективность преобразования газа в молекулярный водород – основного компонента, необходимого для звездообразования – со временем снижается.