Вселенная не перестала делать звёзды внезапно. Но в её поздней истории — за последние примерно 4,5 миллиарда лет — общий темп их рождения заметно снизился. Самое естественное объяснение звучит почти бытово: закончилась газовая «еда». Новые измерения показывают, что оно слишком простое.

Международная команда, объединившая данные китайского радиотелескопа FAST и спектроскопического обзора DESI, измерила, как менялось количество нейтрального атомарного водорода в галактиках. Это огромный резервуар вещества, из которого в несколько этапов могут появиться новые звёзды. Оказалось, что за исследуемый период плотность этого газа уменьшилась относительно слабо — намного слабее, чем скорость звездообразования.

Не пустой бак, а узкое горлышко

Звезда не возникает прямо из разреженного атомарного водорода. Газ должен пройти несколько превращений: попасть в галактику и удержаться в ней, охладиться, стать более плотным, перейти преимущественно в молекулярную форму — прежде всего в молекулярный водород — и только затем сжаться под действием гравитации в будущей звёздной колыбели.

Поэтому атомарный водород правильнее представлять не как готовое топливо в цилиндре двигателя, а как воду в большом водохранилище. Воды может быть ещё много, но если она медленнее проходит через шлюзы и трубы, турбина вырабатывает меньше энергии. В космическом варианте «турбина» — образование новых звёзд, а «шлюзы» — охлаждение, сжатие и превращение газа в молекулярные облака.

Именно на эту разницу указывает работа. За последние 4,5 млрд лет космическая скорость звездообразования снизилась примерно в 2,46 раза. Измеренная плотность атомарного водорода H I за то же время уменьшилась лишь примерно в 1,35 раза; после консервативной поправки на систематические эффекты оценка снижения ещё меньше — около 1,12 раза. Авторы делают надёжный, но ограниченный вывод: быстрое истощение атомарного водорода не может быть главной причиной позднего спада звездообразования.

Как увидеть почти невидимый водород

Нейтральный атомарный водород излучает на знаменитой радиолинии длиной волны 21 сантиметр. Для отдельных далёких галактик этот сигнал чрезвычайно слаб и тонет в шуме.

Здесь и пригодилась связка двух очень разных инструментов. DESI определяет красные смещения галактик — то есть позволяет узнать, насколько растянут их сигнал расширением Вселенной и как сдвинуть наблюдения в общую систему отсчёта. FAST даёт чувствительные радиоданные. Исследователи выровняли и сложили спектры примерно 2,5 миллиона галактик на площади около 12 тысяч квадратных градусов неба.

У отдельной галактики полезный сигнал может быть неразличим. Но если совместить миллионы таких измерений в правильных местах спектра, случайный шум усредняется, а общий след водорода проявляется. Это не фотография газа в каждой конкретной галактике, а очень точная перепись среднего содержимого большой космической популяции.

Где тогда тормозит конвейер

Работа не называет единственную причину. Она сужает круг: искать её нужно не только в размере резервуара H I, а в эффективности всего газового цикла.

Одна из вероятных частей ответа — молекулярный газ. Именно холодные молекулярные облака являются непосредственными местами рождения звёзд; наблюдения и модели давно связывают его эволюцию со звездообразованием теснее, чем эволюцию атомарного водорода. Если поток свежего газа из межгалактической среды со временем ослабевает, а газ в гало галактик нагревается или хуже сжимается, преобразование H I в H₂ может замедлиться. В результате атомарный газ ещё заметен в статистике, но до «звёздной фабрики» доходит меньшая его доля.

На этот процесс также способны влиять обратные связи: излучение, звёздные ветры и взрывы сверхновых; в крупных галактиках — активность сверхмассивных чёрных дыр. Они могут нагревать газ, выталкивать его или не давать ему эффективно остывать. Новое исследование не разделяет вклад этих механизмов. Зато оно задаёт для них строгую проверку: удачная модель эволюции галактик должна объяснить, почему атомарный водород убывает медленно, а производство звёзд — заметно быстрее.

Почему это меняет вопрос

Раньше вопрос легко было свести к фразе: «заканчивается ли у галактик газ?» Теперь он становится интереснее: «почему газ перестаёт превращаться в звёзды с прежней эффективностью?»

Это важный сдвиг. Он отделяет наличие сырья от способности космической системы его переработать. Вселенная не выглядит пустеющим складом. Скорее, её галактики постепенно переходят в режим, где цепочка поставок, охлаждения и уплотнения работает всё медленнее.

Окончательного объяснения здесь пока нет — и именно поэтому результат ценен. Он не закрывает старую загадку, а точнее очерчивает место, где искать ответ: между обширным резервуаром атомарного водорода и маленькими холодными молекулярными облаками, в которых загораются новые солнца.

Источники и дополнительные материалы