کیهان دارای مقدار زیادی هیدروژن است. پس چرا تشکیل ستاره فرو می ریزد؟

این کشف توسط یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به رهبری دانشمندان آکادمی علوم چین (CAS) که با پروژه ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) کار می‌کنند، به دست آمده است. با استفاده از تلسکوپ رادیویی کروی پانصد متری (FAST)، محققان اندازه گیری های دقیقی از هیدروژن اتمی خنثی کیهانی در طول 4.5 میلیارد سال گذشته انجام داده اند.

نتایج آنها یک اختلاف قابل توجه را نشان می دهد. تشکیل ستارگان به شدت کاهش یافته است، در حالی که مقدار هیدروژن اتمی خنثی (HI) که یک مخزن مهم گاز در کهکشان هاست، تنها به میزان متوسطی کاهش یافته است.

یافته ها به صورت آنلاین در منتشر شد نجوم طبیعی در 1 سپتامبر

چرا جهان ستاره های کمتری می سازد؟

درک اینکه چرا تشکیل ستارگان با پیر شدن کیهان کمتر فعال شد، یک سوال اصلی در مطالعه شکل گیری و تکامل کهکشان ها است. یک توضیح به ظاهر ساده این است که کهکشان ها به تدریج گاز سرد مورد نیاز برای تولید ستاره ها را مصرف کرده اند.

با این حال، اگر کاهش ذخایر گاز سرد عامل اصلی این امر باشد، اخترشناسان انتظار دارند که افت چشمگیر شکل‌گیری ستاره‌ها با کاهش مشابهی در گاز موجود همراه باشد. تاکنون مشاهدات چنین کاهش شدیدی را نشان نمی دهند.

HI نقش اصلی را در این پازل ایفا می کند. این یک مخزن مهم گاز سرد در کهکشان ها است که منبع گاز کیهانی گسترده تر را به فرآیندهایی که در نهایت ستاره های جدید تولید می کنند، متصل می کند. ستاره شناسان عمدتاً HI را از طریق خط انتشار رادیویی بسیار ضعیف 21 سانتی متری آن تشخیص می دهند.

تشخیص این سیگنال از کهکشان های دور کار دشواری است زیرا اغلب توسط نویز پس زمینه غرق می شود.

FAST و DESI میلیون ها کهکشان را بررسی می کنند

سال هاست که ستاره شناسان با چالش رصدی بزرگی مواجه بوده اند. بررسی های بسیار عمیق می تواند حساسیت لازم را به دست آورد، اما نمی تواند مناطق بزرگی از آسمان را بررسی کند. در همین حال، بررسی‌هایی که مناطق بسیار بزرگ‌تری را پوشش می‌دهند، عموماً فاقد حساسیت لازم برای تشخیص سیگنال‌های رادیویی ضعیف هستند.

در نتیجه، دانشمندان در تلاش هستند تا به طور مستقیم و قابل اعتماد تعیین کنند که چگونه کل جرم HI جهان در جهان انتقال به سرخ کم به متوسط تغییر کرده است.

تحقیقات جدید با ترکیب حساسیت رادیویی استثنایی FAST با مجموعه داده های طیف سنجی نوری گسترده ارائه شده توسط DESI، با این مشکل مقابله کرد. این تیم حدود 2.5 میلیون کهکشان را بررسی کردند که تقریباً یک سوم آسمان را پوشانده بودند.

محققان از روش انباشته شدن طیفی HI برای ترکیب سیگنال های رادیویی استفاده کردند که برای شناسایی جداگانه بسیار ضعیف هستند. آنها با استفاده از اندازه‌گیری‌های دقیق انتقال به سرخ هر کهکشان، سیگنال‌های ضعیف را در یک راستا قرار دادند و آنها را روی هم چیدند. این فرآیند به سیگنال HI متوسط ​​اجازه می دهد تا از نویز پس زمینه خارج شود.

این رویکرد به دانشمندان اجازه داد تا تغییرات هیدروژن خنثی کیهانی را با استفاده از نمونه‌ای با اندازه بی‌سابقه و با دقت آماری بسیار بالا دنبال کنند.

تشکیل ستاره بسیار سریعتر از هیدروژن سقوط کرد

نتایج نشان داد که تفاوت زیادی بین تکامل تشکیل ستاره و عرضه هیدروژن خنثی وجود دارد.

حدود 4.5 میلیارد سال پیش، سرعت تشکیل ستاره های کیهانی تقریباً 2.5 برابر سریعتر از امروز بود. با این حال، در همان دوره، چگالی هیدروژن اتمی خنثی تنها حدود 1.4 برابر سطح فعلی آن بود.

به عبارت دیگر، تشکیل ستاره بدون ناپدید شدن قابل مقایسه مخزن HI کیهان به طور چشمگیری کاهش یافت. یافته ها نشان می دهد که کاهش سریع هیدروژن خنثی به خودی خود نمی تواند توضیح دهد که چرا شکل گیری ستاره ها به شدت کاهش یافته است.

رمز و راز کیهانی در حال تغییر است

به گفته محققان، نتایج سوال اصلی را از «آیا گاز تمام می‌شود» به «چرا با وجود منابع فراوان هیدروژن خنثی تشکیل ستاره‌ها دشوارتر می‌شود» تغییر می‌دهد.

ستارگان مستقیماً از اکثر هیدروژن های اتمی خنثی تشکیل نمی شوند. آنها عمدتاً در ابرهای بسیار متراکم تر از گاز مولکولی متولد می شوند. هیدروژن اتمی خنثی یک موقعیت میانی مهم بین ذخایر بزرگتر گاز و هیدروژن مولکولی کیهان را اشغال می کند که در نهایت می تواند به شکل گیری ستاره ها سوخت.

محققان پیشنهاد می‌کنند که مهم‌ترین تغییرات در جهان اخیر ممکن است شامل نحوه حرکت گاز در چرخه باریون باشد، نه اینکه چه مقدار HI در کل وجود دارد.

همانطور که شار گاز از شبکه کیهانی ضعیف تر می شود و چگالی گاز کاهش می یابد، کهکشان ها ممکن است در تبدیل HI به هیدروژن مولکولی کارایی کمتری داشته باشند. در این سناریو، کل مخزن HI ممکن است نسبتاً پایدار بماند در حالی که عرضه گاز مولکولی که مستقیماً مسئول تشکیل ستاره است به تدریج کاهش می یابد.

چرا کارخانه های ستاره سازی جهان در حال محو شدن هستند

بنابراین پیامدها فراتر از تعیین مقدار هیدروژن در جهان است. این یافته‌ها یک سرنخ مهم جدید در مورد اینکه چرا موتورهای عظیم ستاره‌ساز جهان به تدریج کاهش می‌یابند، ارائه می‌دهد.

به گفته محققان، ترکیب مشاهدات FAST و DESI یک معیار رصدی جدید برای مطالعه چرخه گاز کیهانی در طول تکامل بعدی کیهان، کاهش طولانی‌مدت شکل‌گیری ستاره‌ها و فرآیندهای گسترده‌تر شکل‌دهی کهکشان‌ها ارائه می‌کند.

این تحقیق توسط دانشمندان رصدخانه ملی نجوم چین، رصدخانه نجومی CAS شانگهای و دانشگاه شانگهای جیائو تونگ، همراه با محققانی که در DESI شرکت داشتند، رهبری شد.

مشارکت کنندگان از موسسات تحقیقاتی در آسیا، آمریکای شمالی و اروپا هستند. این همکاری پتانسیل علمی ترکیب مشاهدات رادیویی بسیار حساس با بررسی‌های طیف‌سنجی نوری عظیم را نشان می‌دهد.