Атомарный водород сохранился, пока звездообразование падало

Сегодня галактики образуют гораздо меньше звёзд, чем несколько миллиардов лет назад, но космический запас атомарного водорода сократился не такими темпами. Анализ примерно 2,5 миллиона галактик обнаружил лишь слабую эволюцию этого газа за последние 4,5 миллиарда лет. Несоответствие меняет вопрос: недавним ограничением может быть не общий объём исходного топлива, а путь, по которому оно попадает в области рождения звёзд.

Chuan-Peng Zhang и коллеги объединили спектры китайского радиотелескопа FAST с положениями и расстояниями из оптического обзора DESI. Выборка охватывает около 12 тысяч квадратных градусов неба и простирается от близкой Вселенной до красного смещения 0,41. Излучение нейтрального водорода далёкой отдельной галактики обычно слишком слабо, поэтому команда выровняла и сложила множество спектров. Сумма выявляет среднее 21-сантиметровое излучение атомов водорода в больших популяциях.

В нескорректированных данных космическая плотность атомарного водорода снизилась в 1,35 раза с неопределённостью 0,10 между эпохой 4,5 миллиарда лет назад и настоящим. Затем исследователи построили прямую модель наблюдений, чтобы оценить смещения оптического отбора и сложения спектров. После консервативных поправок предполагаемое снижение составило лишь 1,12 раза, также с неопределённостью 0,10. За тот же период плотность космической скорости звездообразования упала в 2,46 раза.

Команда также разделила галактики по звёздной массе. При фиксированной звёздной массе средняя доля атомарного водорода изменилась менее чем на 0,2 dex — менее чем примерно на 60% по логарифмической шкале. Это отличается от измерений молекулярного газа, содержание которого ближе следует за снижением звездообразования. Молекулярный водород — холодная плотная фаза, из которой организуются облака, рождающие звёзды.

Сами данные не определяют, какой процесс замедлил производство звёзд. Однако они не поддерживают простое объяснение, будто современные галактики образуют меньше звёзд из-за быстрого истощения космического запаса атомарного водорода. Между рассеянным резервуаром и звездой существует цепочка: газ должен попасть в галактику, остыть, уплотниться, превратиться в молекулы и выдержать потоки, которые его нагревают или выбрасывают. Несоответствие направляет внимание на эти промежуточные этапы.

Измерив популяцию на огромной площади неба, исследование задало ориентир для моделей питания и регулирования галактик. Следующий шаг требует различить, как атомарный газ входит в галактики, циркулирует и превращается в молекулярный в разных средах. Сырого топлива, по-видимому, оставалось сравнительно много; центральный вопрос — почему меньшая его доля дошла до фабрик звёзд.