巨米波射电望远镜完成测量90亿年前星系中的原子氢气质量

星系主要由气体和恒星组成，在一个星系的生命过程中，新的恒星从现有的气体中形成。宇宙年轻时，恒星的形成比今天要频繁得多。二十多年来，天文学家已经知道，星系中的恒星形成活动在大约80-100亿年前达到最高峰，此后持续下降。

直到最近，这种下降的原因还不为人知，主要是因为我们一直没有关于这些早期星系中原子氢气的数量的信息，而原子氢气是恒星形成的主要燃料。这种情况在去年发生了改变，来自NCRA和RRI的一个天文学家小组，包括本研究的一些作者，利用升级后的GMRT首次测量了大约80亿年前星系的原子氢气含量，当时宇宙的恒星形成活动开始下降。他们发现，星系中恒星形成下降的可能原因是星系正在耗尽燃料。

NCRA-TIFR的博士生Aditya Chowdhury是这项新研究和2020年研究的主要作者，他说："我们的新结果是针对更早时期的星系，但仍然接近最大恒星形成活动时代的末期。我们发现90亿年前的星系含有丰富的原子气体，原子气体的质量几乎是恒星质量的三倍！这与星系的情况截然不同。这与今天像银河系这样的星系截然不同，后者的气体质量几乎是恒星质量的十倍。"

对原子氢气质量的测量是通过使用GMRT来搜索原子氢气中的一条光谱线来完成的，这条光谱线只能通过射电望远镜来探测。不幸的是，这种"21厘米"的信号非常弱，因此几乎不可能从距离我们大约300亿光年的单个星系中探测到，即使使用像GMRT这样的强大望远镜也是如此。因此，研究小组使用了一种叫做 "堆叠"的技术来提高灵敏度。这使他们能够通过结合21厘米的信号，测量近3000个星系的平均气体含量。

"我们研究的观测是在大约5年前进行的，当时GMRT在2018年进行了升级。我们使用了GMRT升级前的原始接收器和电子链，它的带宽很窄。因此，我们只能覆盖有限的星系；这就是为什么我们目前的研究覆盖了3000个星系，而我们2020年的研究在升级后的GMRT更宽的带宽下覆盖了8000个星系，"NCRA-TIFR的Nissim Kanekar说，他是该研究的共同作者。

NCRA-TIFR的另一位博士生Barnali Das补充说："虽然我们的星系较少，但我们通过更长的观测时间来提高我们的灵敏度，观测时间接近400小时。大量的数据意味着分析需要很长的时间，这些早期星系的恒星形成是如此强烈，以至于它们会在短短20亿年内消耗掉它们的原子气体。而且，如果这些星系不能获得更多的气体，它们的恒星形成活动将下降，并最终停止，因此，宇宙中恒星形成下降的原因似乎很可能只是星系在某个纪元后无法补充它们的气体库，可能是因为它们的环境中没有足够的气体可用。"

"可重复性是科学的基础，去年，我们报告了对这种遥远的星系中的原子气体含量的首次测量。有了现在的结果，使用一套完全不同的接收器和电子装置，我们现在对这些早期星系的原子气体质量有了两个独立的测量。即使在几年前，这也是难以令人相信的！"Kanekar说。

K. RRI的S. Dwarakanath是这项研究的共同作者，他提到："探测来自遥远星系的21厘米信号是GMRT的主要原始目标，并继续成为建设更强大的望远镜（如平方公里阵列）的关键科学驱动力。这些结果对于我们了解星系的演变极为重要"。