來自浦那國家無線電天體物理中心（NCRA-TIFR）和班加羅爾拉曼研究所（RRI）的一個天文學家小組利用巨米波無線電望遠鏡（GMRT）測量了90億年前年輕宇宙中星系的原子氫氣體含量。這項新結果是對該小組早期結果的重要確認，他們曾測量了80億年前星系的原子氫含量，並將我們對星系的理解推向了宇宙中更早的時代。這項新的研究已經發表在最近一期的《天體物理學雜誌通訊》上。

星系主要由氣體和恆星組成，在一個星系的​​生命過程中，新的恆星從現有的氣體中形成。宇宙年輕時，恆星的形成比今天要頻繁得多。二十多年來，天文學家已經知道，星系中的恆星形成活動​​在大約80-100億年前達到最高峰，此後持續下降。

直到最近，這種下降的原因還不為人知，主要是因為我們一直沒有關於這些早期星系中原子氫氣的數量的信息，而原子氫氣是恆星形成的主要燃料。這種情況在去年發生了改變，來自NCRA和RRI的一個天文學家小組，包括本研究的一些作者，利用升級後的GMRT首次測量了大約80億年前星系的原子氫氣含量，當時宇宙的恆星形成活動開始下降。他們發現，星系中恆星形成下降的可能原因是星係正在耗盡燃料。

NCRA-TIFR的博士生Aditya Chowdhury是這項新研究和2020年研究的主要作者，他說：”我們的新結果是針對更早時期的星系，但仍然接近最大恒星形成活動​​時代的末期。我們發現90億年前的星系含有豐富的原子氣體，原子氣體的質量幾乎是恆星質量的三倍！這與星系的情況截然不同。這與今天像銀河系這樣的星系截然不同，後者的氣體質量幾乎是恆星質量的十倍。”

對原子氫氣質量的測量是通過使用GMRT來搜索原子氫氣中的一條光譜線來完成的，這條光譜線只能通過射電望遠鏡來探測。不幸的是，這種”21厘米”的信號非常弱，因此幾乎不可能從距離我們大約300億光年的單個星系中探測到，即使使用像GMRT這樣的強大望遠鏡也是如此。因此，研究小組使用了一種叫做”堆疊”的技術來提高靈敏度。這使他們能夠通過結合21厘米的信號，測量近3000個星系的平均氣體含量。

“我們研究的觀測是在大約5年前進行的，當時GMRT在2018年進行了升級。我們使用了GMRT升級前的原始接收器和電子鏈，它的帶寬很窄。因此，我們只能覆蓋有限的星系；這就是為什麼我們目前的研究覆蓋了3000個星系，而我們2020年的研究在升級後的GMRT更寬的帶寬下覆蓋了8000個星系，”NCRA-TIFR的Nissim Kanekar說，他是該研究的共同作者。

NCRA-TIFR的另一位博士生Barnali Das補充說：”雖然我們的星系較少，但我們通過更長的觀測時間來提高我們的靈敏度，觀測時間接近400小時。大量的數據意味著分析需要很長的時間，這些早期星系的恆星形成是如此強烈，以至於它們會在短短20億年內消耗掉它們的原子氣體。而且，如果這些星係不能獲得更多的氣體，它們的恆星形成活動​​將下降，並最終停止，因此，宇宙中恆星形成下降的原因似乎很可能只是星系在某個紀元後無法補充它們的氣體庫，可能是因為它們的環境中沒有足夠的氣體可用。”

“可重複性是科學的基礎，去年，我們報告了對這種遙遠的星系中的原子氣體含量的首次測量。有了現在的結果，使用一套完全不同的接收器和電子裝置，我們現在對這些早期星系的原子氣體質量有了兩個獨立的測量。即使在幾年前，這也是難以令人相信的！”Kanekar說。

K. RRI的S. Dwarakanath是這項研究的共同作者，他提到：”探測來自遙遠星系的21厘米信號是GMRT的主要原始目標，並繼續成為建設更強大的望遠鏡（如平方公里陣列）的關鍵科學驅動力。這些結果對於我們了解星系的演變極為重要”。