中国天眼与DESI联合观测：宇宙恒星形成减弱非冷气体耗尽，而是氢转化能力下降

一句话结论

中国天眼与DESI联合观测证实，宇宙近45亿年恒星形成率下降并非冷气体耗尽，而是中性氢向恒星形成阶段转化的效率降低。

关键要点

• 国际合作团队利用FAST高灵敏度观测与DESI大天区巡天结合，覆盖约三分之一天区、分析约250万个星系的中性氢演化
• 测量显示45亿年前宇宙恒星形成率约为今天的2.5倍，而同期中性原子氢密度仅为今天的约1.4倍
• 研究证实传统“冷气体耗尽导致恒星形成率下降”的解释不成立，中性氢储备在恒星形成活动显著减弱时并未同步骤减
• 研究揭示中性氢需先转化为分子氢云才能孕育恒星，晚期宇宙中这一转化效率的下降是恒星形成率减弱的核心原因
• 研究成果发表于《自然·天文》杂志，论文第一作者为国家天文台张传朋副研究员、上海天文台郭宏研究员、上海交通大学顾一舟助理研究员

背景与事实

恒星形成率随时间下降是星系演化领域的核心问题。长期以来，学界流行一个解释：孕育恒星的冷气体不断被消耗，导致造星活动衰退。如果这一图景成立，恒星形成率的下降应当伴随冷气体储备的同步骤减。中国科学院国家天文台、上海天文台、上海交通大学等组成的国际合作团队，利用“中国天眼”（FAST）与国际暗能量光谱仪（DESI）联合观测，对过去45亿年的宇宙中性氢演化进行了高精度测量，直接检验了这一假设。

中性氢是星系中重要的冷气体储备，通过极其微弱的21厘米射电谱线发出信号。该谱线频率约为1420MHz，是中性氢原子的特征辐射。然而，遥远星系的单个信号往往淹没在背景噪声中，过去观测长期受限于“看得深却看不广、看得广又不够深”的瓶颈，难以精确追踪中性氢的演化轨迹。

研究团队将FAST的高灵敏度射电观测与DESI的大规模光谱巡天深度结合，分析覆盖约三分之一天区的约250万个星系。他们利用中性氢谱线叠加技术，将大量微弱信号按星系红移精确对齐后叠加，从噪声中提取出平均信号，以前所未有的统计精度追踪了中性氢演化轨迹。测量结果显示，45亿年前的宇宙恒星形成率约为今天的2.5倍，而同期中性原子氢密度仅约为今天的1.4倍。论文通讯作者、中国科学院上海天文台研究员郭宏指出，如果“燃料耗尽”是恒星形成率下降的主因，两者本应同步骤减，但数据并不支持这一说法。

该研究由中国科学院国家天文台姜鹏研究员团队、上海天文台郭宏研究员团队，以及上海交通大学杨小虎教授、景益鹏院士团队，联合DESI国际团队共同完成。论文第一作者为国家天文台张传朋副研究员、上海天文台郭宏研究员、上海交通大学顾一舟助理研究员。相关成果已发表于《自然·天文》杂志。

影响分析

这项研究对中文天文与天体物理从业者具有直接的认知更新意义。长期以来，天文学家在解释星系恒星形成活动衰退时，倾向于将原因归结为冷气体储备的耗尽。本研究提供的观测证据表明，中性氢密度与恒星形成率的变化步调并不一致，45亿年前的恒星形成率是当前的2.5倍，而中性氢密度仅为当前的1.4倍，两者比值差异显著。这意味着，中文研究者在构建星系演化模型、模拟宇宙大尺度结构时，不能再简单地将冷气体总量作为恒星形成率的唯一限制因素，必须引入气体相态转化效率作为独立参数。

对中文开发者与算法研究者而言，研究团队采用的中性氢谱线叠加技术——将约250万个星系的微弱信号按红移对齐后叠加提取平均信号——为大规模微弱信号统计提取提供了方法论参考。这种技术路线在射电天文学、引力波背景探测、宇宙微波背景辐射分析等需要处理极低信噪比信号的领域具有通用价值，中文团队在开发相关信号处理算法或构建天文观测数据管道时，可借鉴这种“以量取胜”的统计叠加思路，突破单一射电源信噪比不足的瓶颈。

适用边界

本研究的结论基于中性氢（原子态冷气体）的观测，直接指向的是中性氢向分子氢转化效率下降这一机制。它不能直接推断分子氢云本身是否也存在其他耗散途径，也不能排除其他冷气体组分（如离子态气体）对恒星形成率的独立影响。此外，测量覆盖的是过去45亿年这一时间窗口，对于宇宙更早时期（如大爆炸后数亿年内）的恒星形成机制是否遵循相同规律，本研究未提供约束。

孤本观察

从数据呈现方式看，恒星形成率与中性氢密度的比值差异（2.5倍对1.4倍）是本文最关键的观测证据，它直接否定了线性耗竭模型。这一比值差异为中文天体物理社区提供了可复用的判据：未来若观测到更早期宇宙的类似比值，可进一步检验气体转化效率随时间的演化趋势。

来源：IT之家