Κοιτάζοντας τον νυχτερινό ουρανό, το Σύμπαν μάς δίνει την αίσθηση ενός απέραντου, αιώνιου εργοστασίου που γεννά ασταμάτητα νέα άστρα και γαλαξίες.
Ωστόσο, οι αστροφυσικοί ανακάλυψαν πρόσφατα μια ανησυχητική αλήθεια: η κοσμική «μηχανή» παραγωγής αστεριών έχει αρχίσει να επιβραδύνει επικίνδυνα. Τα τελευταία 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, ο ρυθμός με τον οποίο γεννιούνται νέα άστρα έχει μειωθεί περισσότερο από το μισό, δημιουργώντας ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα της σύγχρονης αστρονομίας.
Το πιο παράδοξο σε αυτή την κοσμική ύφεση δεν είναι η έλλειψη πόρων. Αντίθετα με ό,τι θα υπέθετε κανείς, το Σύμπαν δεν ξέμεινε από «καύσιμα», καθώς οι αποθήκες ουδέτερου υδρογόνου των γαλαξιών παραμένουν σχεδόν γεμάτες.
Χρησιμοποιώντας το μεγαλύτερο ραδιοτηλεσκόπιο του κόσμου, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων κατάφερε να χαρτογραφήσει αυτή την παράξενη δυσαναλογία, εγείροντας ένα κρίσιμο ερώτημα: Αφού υπάρχουν ακόμη άφθονα υλικά στο διάστημα, γιατί το Σύμπαν δυσκολεύεται πλέον τόσο πολύ να ανάψει νέα κοσμικά φώτα;
Το Σύμπαν διαθέτει ακόμα άφθονο υδρογόνο, αλλά η ικανότητά του να μετατρέπει αυτό το καύσιμο σε νέα αστέρια φαίνεται να εξασθενεί. Το Σύμπαν παράγει πολύ λιγότερα νέα αστέρια από ό,τι πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.
Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 4,5 δισεκατομμυρίων ετών, ο ρυθμός κοσμικής γέννησης αστέρων έχει μειωθεί σε λιγότερο από το μισό του προηγούμενου επιπέδου του. Κι όμως, ένα από τα πιο σημαντικά συστατικά που απαιτούνται για τη δημιουργία των αστεριών έχει σημειώσει μόνο οριακή μείωση.
Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής ερευνητές από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών (CAS), σε συνεργασία με το πρόγραμμα του Φασματοσκοπικού Οργάνου Σκοτεινής Ενέργειας (DESI), κατέληξε σε αυτό το συμπέρασμα αφού μελέτησε την εξέλιξη του ουδέτερου ατομικού υδρογόνου σε ολόκληρο το Σύμπαν.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το σφαιρικό ραδιοτηλεσκόπιο FAST της Κίνας, διαμέτρου πεντακοσίων μέτρων, για να πραγματοποιήσουν εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις που καλύπτουν τα τελευταία 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι η κοσμική δημιουργία αστεριών έχει σημειώσει κατακόρυφη πτώση, ενώ το ουδέτερο ατομικό υδρογόνο (HI), μια σημαντική δεξαμενή αερίων εντός των γαλαξιών, έχει αλλάξει πολύ λιγότερο δραματικά.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο διαδίκτυο στο περιοδικό Nature Astronomy την 1η Σεπτεμβρίου.
Ένα διαχρονικό μυστήριο της δημιουργίας των αστεριών
Το γιατί το Σύμπαν έχει γίνει λιγότερο παραγωγικό στη δημιουργία αστεριών αποτελεί ένα από τα βασικά ερωτήματα στη μελέτη του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται και εξελίσσονται οι γαλαξίες. Μια φαινομενικά απλή εξήγηση είναι ότι οι γαλαξίες καταναλώνουν σταδιακά το ψυχρό αέριο που απαιτείται για τη δημιουργία νέων άστρων.
Εάν αυτή ήταν η κύρια αιτία, τότε η δραματική μείωση στη γέννηση των αστεριών θα έπρεπε να συνοδεύεται από μια εξίσου απότομη μείωση στα αποθέματα ψυχρού αερίου του Σύμπαντος. Οι αστρονόμοι, ωστόσο, δεν έχουν παρατηρήσει μια τέτοια μείωση.
Το ουδέτερο ατομικό υδρογόνο (HI) παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτή τη διαδικασία. Λειτουργεί ως μια μεγάλη δεξαμενή ψυχρού αερίου στους γαλαξίες και βοηθά στη σύνδεση της κίνησης του αερίου μεγάλης κλίμακας μέσα στο Σύμπαν με τη δημιουργία αστεριών που λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό των επιμέρους γαλαξιών.
Οι αστρονόμοι ανιχνεύουν το HI κυρίως μέσω της εξαιρετικά αμυδρής ραδιοφωνικής γραμμής εκπομπής των 21 εκατοστών. Η ανίχνευση αυτού του σήματος από μακρινούς γαλαξίες είναι δύσκολη, καθώς συχνά καλύπτεται από τον θόρυβο του υποβάθρου. Για χρόνια, αυτό αποτελούσε μια μεγάλη παρατηρησιακή πρόκληση.
Οι βαθιές επισκοπήσεις του διαστήματος ήταν αρκετά ευαίσθητες ώστε να ανιχνεύουν αμυδρά σήματα, αλλά μπορούσαν να εξετάσουν μόνο σχετικά μικρές περιοχές του ουρανού.
Από την άλλη, οι ευρύτερες επισκοπήσεις μπορούσαν να καλύψουν πολύ μεγαλύτερες περιοχές, αλλά γενικά στερούνταν την απαιτούμενη ευαισθησία για τη μέτρηση τόσο ασθενών ραδιοεκπομπών.
Κατά συνέπεια, οι αστρονόμοι δυσκολεύονταν να παρακολουθήσουν άμεσα και αξιόπιστα τον τρόπο με τον οποίο άλλαζε η συνολική ποσότητα του ουδέτερου ατομικού υδρογόνου (HI) στο Σύμπαν, σε χαμηλές έως ενδιάμεσες τιμές ερυθροολίσθησης (redshift).
Συνδυάζοντας το FAST και το DESI
Η νέα έρευνα ξεπέρασε αυτόν τον περιορισμό συνδυάζοντας την εξαιρετική ραδιοφωνική ευαισθησία του FAST με το τεράστιο οπτικό φασματοσκοπικό σύνολο δεδομένων που συγκέντρωσε το DESI. H ομάδα εξέτασε περίπου 2,5 εκατομμύρια γαλαξίες που εκτείνονται σχεδόν στο ένα τρίτο του ουρανού.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική φασματικής στοίβαξης HI για να συνδυάσουν πολλά ραδιοφωνικά σήματα, τα οποία θα ήταν πολύ αμυδρά για να ανιχνευθούν μεμονωμένα.
Χρησιμοποιώντας ακριβείς μετρήσεις της ερυθροολίσθησης κάθε γαλαξία, ευθυγράμμισαν τα ασθενή σήματα πριν τα στοιβάξουν μαζί. Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στο μέσο σήμα HI να αναδυθεί από τον περιβάλλοντα θόρυβο, δίνοντας στην ομάδα μια ασυνήθιστα λεπτομερή εικόνα για το πώς έχει εξελιχθεί το κοσμικό ουδέτερο υδρογόνο.
Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν μια εντυπωσιακή αναντιστοιχία
Πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, το Σύμπαν δημιουργούσε αστέρια με ρυθμό περίπου 2,5 φορές μεγαλύτερο από τον σημερινό. Κατά την ίδια περίοδο, ωστόσο, η πυκνότητα του ουδέτερου ατομικού υδρογόνου ήταν μόλις 1,4 φορές μεγαλύτερη από το τρέχον επίπεδό της. Με άλλα λόγια, η γέννηση των αστεριών μειώθηκε πολύ πιο γρήγορα από ό,τι η δεξαμενή ουδέτερου υδρογόνου (HI) του Σύμπαντος.
Το απόθεμα ουδέτερου υδρογόνου δεν εξανεμίστηκε σε καμία περίπτωση με ανάλογο ρυθμό. Αυτό καθιστά δύσκολο να εξηγηθεί η μείωση της γέννησης των αστεριών απλώς ως αποτέλεσμα της ταχείας εξάντλησης του υδρογόνου των γαλαξιών.
Γιατί το Σύμπαν δυσκολεύεται να δημιουργήσει αστέρια;
Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα ευρήματα μετατοπίζουν το κεντρικό ερώτημα από το «αν εξαντλείται το αέριο» στο «γιατί είναι όλο και πιο δύσκολο να σχηματιστούν αστέρια παρά τα άφθονα αποθέματα ουδέτερου υδρογόνου». Τα αστέρια συνήθως δεν σχηματίζονται απευθείας από ουδέτερο ατομικό υδρογόνο. Αντίθετα, γεννιούνται μέσα σε πολύ πιο πυκνά νέφη μοριακού αερίου.
Το HI κατέχει μια σημαντική ενδιάμεση θέση ανάμεσα στην μεγάλης κλίμακας παροχή κοσμικού αερίου και το μοριακό υδρογόνο που τελικά τροφοδοτεί τη γέννηση των άστρων. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι οι μεγάλες αλλαγές που συμβαίνουν αργότερα στην ιστορία του Σύμπαντος ενδέχεται να αφορούν τον τρόπο με τον οποίο το αέριο κινείται μέσω του βαρυονικού κύκλου, παρά μια απλή μείωση της συνολικής παροχής HI.
Καθώς η ροή αερίου από τον κοσμικό ιστό εξασθενεί και οι πυκνότητες του αερίου μειώνονται, οι γαλαξίες ενδέχεται να γίνονται λιγότερο αποτελεσματικοί στη μετατροπή του HI σε μοριακό υδρογόνο.
Υπό αυτό το σενάριο, το Σύμπαν θα μπορούσε να διατηρήσει μια σχετικά σταθερή δεξαμενή ουδέτερου ατομικού υδρογόνου, ακόμη και όταν το μοριακό αέριο που απαιτείται για τη δημιουργία άστρων γίνεται σταδιακά λιγότερο άφθονο.
Αυτό θα βοηθούσε να εξηγηθεί πώς το Σύμπαν μπορεί να εξακολουθεί να περιέχει μεγάλες ποσότητες δυνητικού υλικού για τον σχηματισμό άστρων, ενώ παράλληλα παράγει όλο και λιγότερα νέα αστέρια.
Μια νέα οπτική για τον κοσμικό κύκλο των αερίων
Η σημασία των ευρημάτων εκτείνεται πέρα από τη μέτρηση της συνολικής ποσότητας υδρογόνου στο Σύμπαν. Προσφέρουν νέα στοιχεία για τον λόγο που οι τεράστιες αστρικές μηχανές στο εσωτερικό των γαλαξιών επιβραδύνουν σταδιακά.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι συνδυασμένες παρατηρήσεις των FAST και DESI θέτουν ένα νέο σημείο αναφοράς για τη μελέτη του κοσμικού κύκλου των αερίων στα ύστερα στάδιά του, της μακροπρόθεσμης μείωσης στη γέννηση των άστρων, καθώς και της ευρύτερης εξέλιξης των γαλαξιών.
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε με επικεφαλής επιστήμονες από τα Εθνικά Αστρονομικά Αστεροσκοπεία της Κίνας, το Αστεροσκοπείο της Σαγκάης της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (CAS) και το Πανεπιστήμιο Jiao Tong της Σαγκάης, μαζί με ερευνητές που συμμετέχουν στο πρόγραμμα DESI. Οι συνεργάτες προέρχονταν από ιδρύματα της Ασίας, της Βόρειας Αμερικής και της Ευρώπης, αποδεικνύοντας την αξία του συνδυασμού ραδιοφωνικών μετρήσεων υψηλής ευαισθησίας με οπτική φασματοσκοπία μεγάλης κλίμακας.
