宇宙恒星诞生率暴跌60%，氢储备却几乎未减——燃料危机论被推翻

过去45亿年间，宇宙中的恒星诞生率下降了一半以上，而此前最主流的解释如今被推翻了。一项结合了世界最灵敏射电望远镜与有史以来最大规模光学巡天的研究——覆盖了250万个星系——发现，宇宙中仍保有与恒星形成高峰期几乎等量的中性氢。无论是什么在关闭宇宙的恒星摇篮，原因都不在于原料短缺。

这项发表在《自然·天文学》上的成果，来自中国科学院的研究人员及其在DESI合作组中的国际伙伴。这是迄今对宇宙氢储备最直接的大尺度测量。它解答了一个困扰天文学界数十年的问题：宇宙为何在衰老？而答案出乎大多数天文学家的意料。

下降幅度极为惊人。在大约100亿年前的峰值期，宇宙产生恒星的速度约为今天的10倍。而在45亿年前——地球刚刚形成时——宇宙恒星形成速率仍比现在高出2.5倍。如果这一趋势延续下去，宇宙将沿着一条缓慢而不可逆的道路走向天空中新太阳越来越少的方向。问题始终是：为什么？

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他们如何测量宇宙的氢储备

此前的理论一直很直观：随着星系老化，它们耗尽了自己的气体储备。燃料越少，恒星就越少。为了在可观测宇宙的尺度上检验这一假设，研究人员需要同时测量跨越数十亿光年的中性原子氢——星际空间中最丰富的氢形态。此前从未有人能以如此精度做到这一点。

研究团队将两种仪器结合，首次让这一测量变得可行。FAST——位于中国贵州省的五百米口径球面射电望远镜，目前世界上最大的单口径射电望远镜——探测中性氢自然发射出的微弱的21厘米射电辐射。而DESI（暗能量光谱仪，位于亚利桑那州）则为研究中的250万个星系提供了精确的光学红移，从而确定了它们的距离，也就确定了每个星系被观测到的宇宙时期。

这项被称为HI谱线叠加的技术，解决了核心难题：没有单个遥远星系能发出足够强的氢信号，从而在宇宙学距离上被单独探测到。通过将数百万个微弱的射电谱线按照DESI提供的精确星系红移进行对齐和叠加，团队将噪声转化为统计信号——这相当于同时聆听数百万场低声交谈，而不是试图在房间中捕捉一个单独的耳语。最终巡天覆盖了大约三分之一的整个天空，回溯了45亿年的宇宙时间。此前从未有过如此尺度与灵敏度的尝试。

数字实际说明了什么

结果明确无误——而且对标准模型构成了挑战。在同样的45亿年时间里，所测量体积内的中性氢密度仅下降了1.4倍，而恒星形成速率却下降了2.5倍。按比例来说：恒星诞生率下降了约60%，氢供应下降了约29%。

这两个数字之间的差距，正是现有理论面临的问题。如果氢消耗是恒星形成崩溃的主要驱动因素，那么两条曲线应该紧密吻合。但它们没有。这种不匹配意味着，数十亿立方光年的中性氢正闲置在星系之间和星系内部——原则上可以用于形成恒星，但并未被利用。宇宙并没有足够快地将氢转化为恒星以解释观测到的下降，而转化效率的不足不能简单地用可用氢减少来解释。

对宇宙时间尺度的比较进一步强化了这一点。在45亿年前的那个时期——对应本次研究最深处的测量——恒星形成活动与可用氢的比例明显高于今天。气体转化为恒星的方式发生了某种变化，而这种变化与原料的数量无关。

还有什么可能阻止恒星形成

论文指出了最可能的瓶颈所在。中性原子氢并不会直接坍缩成恒星。它必须首先转化为分子氢——一种更密集、更冷的形态，才能在引力作用下凝结成恒星摇篮。这种转化效率——而非其上游的原子氢供应——现在是减缓宇宙恒星工厂运转的首要嫌疑对象。

是什么控制着这种转化效率？有几种机制是候选者。星系中心的超大质量黑洞反馈——产生的高能喷流和风加热周围气体——可以阻止原子氢冷却到恒星形成所需的分子相。早期恒星产生的辐射电离气体的速度可能快于引力将其聚集的速度。环绕星系的弥散气体晕——即星系周介质——的性质可能已随宇宙时间发生变化，从而降低了原子氢沉降到恒星形成云团中的速率。目前尚未确认哪一种机制占主导。这项研究的贡献在于，以前所未有的确定性和尺度证明，这些机制都不是通过消耗氢供应本身来起作用的。

这项研究没有解决的问题

该测量是一个跨越数百万星系的人口统计结果，而不是对单个星系演化的诊断。叠加方法给出了统计上稳健的宇宙平均值；它无法分离出特定星系类型、质量范围或环境中正在发生什么。逐个星系地解释恒星形成为何受到抑制，仍超出了此技术的范围。

更根本的是，该研究测量的是原子氢——HI相。而最终为恒星形成提供燃料的是分子氢——H₂相，后者在宇宙学距离上要难探测得多。在与此巡天相同的体积内绘制分子氢分布，将是一项要求高得多的观测任务，目前在如此尺度上尚不可行。论文指出的原子氢与分子氢之间的瓶颈——即最可能的罪魁祸首——仍无法在解决该问题所需的尺度上得到测量。

作者指出，多种物理过程可能相互作用，在不同环境和宇宙时期产生了观测到的恒星形成下降。任何完整的理论不仅需要解释这些氢测量结果，还需要考虑单个星系形成历史、恒星形成环境以及星系尺度气体流的作用。

关于宇宙恒星形成率下降的常见问题

为什么恒星形成速率对宇宙的未来很重要？

恒星锻造了构成行星、化学和生命的重元素。随着新恒星形成速率下降，宇宙建造新行星系统并补充它们所需元素的能力也随之下降。这项研究测量到的趋势，标志着一个正在缓慢、不可逆衰退的宇宙——恒星纪元终结的开始。

我们的太阳受到这种宇宙减速的影响吗？

不。太阳形成于46亿年前，还将继续燃烧大约50亿年。这种减速描述的是新恒星系统在整个宇宙中点燃的速率，而不是已经形成的恒星的行为。我们的太阳系因其年龄而免受这一趋势影响。

为什么FAST对这种测量至关重要？

FAST的500米口径使其收集面积大约是任何先前单口径射电望远镜的40倍。这种灵敏度使其能够探测到来自数十亿光年外星系的微弱21厘米氢信号。没有FAST的收集能力，叠加技术不可能在这些距离上产生统计显著的结果。

这项研究是否意味着“燃料危机”理论关于星系衰老是错误的？

它挑战了该理论最简单的版本：即原子氢供应下降直接导致了恒星形成下降。氢供应下降的速度远不足以解释观测到的恒星诞生下降。更复杂的机制——很可能涉及氢转化为恒星形成所需分子相的效率低下——似乎在起作用。

研究团队的下一步是测量可比宇宙尺度上的分子氢，这项任务可能最终由包括平方公里阵列在内的下一代设施实现。在此之前，宇宙关于自身未来的最重大未解之谜又多了一个被证实的悖论：宇宙仍然拥有大部分氢，却仍然在耗尽恒星。

参考文献：et al., “Cosmic star formation rate decline is not driven by neutral hydrogen depletion,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02965-9

标签: cosmology, DESI, FAST telescope, neutral hydrogen, star formation

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