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La formazione stellare nell’universo sta rallentando in modo netto, ma il carburante che dovrebbe alimentarla è rimasto quasi tutto lì dov’era. È il risultato, piuttosto controintuitivo, di uno studio internazionale guidato da scienziati dell’Accademia Cinese delle Scienze insieme al progetto DESI, pubblicato online su Nature Astronomy il primo settembre. Negli ultimi 4,5 miliardi di anni il ritmo con cui nascono nuove stelle è sceso a meno della metà, mentre la quantità di idrogeno neutro disponibile nelle galassie è calata solo di poco.
I numeri raccontano bene lo scarto. Circa 4,5 miliardi di anni fa il tasso di formazione stellare cosmica era all’incirca 2,5 volte più alto di oggi. Nello stesso intervallo, però, la densità di idrogeno atomico neutro era superiore solamente di 1,4 volte rispetto al livello attuale. Tradotto: le stelle hanno smesso di nascere con la stessa frequenza senza che il serbatoio di gas si sia svuotato in proporzione.
Il radiotelescopio FAST e i 2,5 milioni di galassie di DESI
Per arrivare a questa misura i ricercatori hanno messo insieme due strumenti molto diversi. Da una parte FAST, il radiotelescopio sferico cinese da cinquecento metri di apertura, con la sua sensibilità radio fuori scala. Dall’altra l’enorme archivio di spettroscopia ottica del DESI, il Dark Energy Spectroscopic Instrument. Il campione analizzato comprende circa 2,5 milioni di galassie distribuite su quasi un terzo del cielo.
Il problema tecnico, fino a oggi, era sempre lo stesso. L’idrogeno neutro si individua soprattutto grazie alla sua debolissima riga di emissione radio a 21 centimetri, un segnale che nelle galassie lontane finisce sepolto dal rumore di fondo. Le survey molto profonde raggiungevano la sensibilità necessaria ma coprivano porzioni minuscole di cielo, quelle ad ampio campo avevano il problema opposto. Risultato: nessuno era mai riuscito a stabilire in modo diretto e affidabile come fosse cambiata la massa totale di idrogeno neutro nell’universo a redshift basso e intermedio.
La soluzione è stata una tecnica di sovrapposizione spettrale. Usando le misure precise di redshift fornite da DESI per ogni singola galassia, il gruppo ha allineato segnali radio troppo fiochi per essere rilevati uno per uno e li ha sommati. Da quella somma è emerso un segnale medio riconoscibile, con una precisione statistica su un campione di dimensioni mai raggiunte prima.
La domanda cambia: non quanto gas, ma come si muove
L’ipotesi più semplice, quella secondo cui le galassie avrebbero semplicemente consumato il gas freddo necessario a fabbricare stelle, non regge davanti a questi dati. Se fosse così, al crollo della formazione stellare dovrebbe corrispondere un calo altrettanto drastico delle riserve di gas. Non succede.
Il punto, spiegano i ricercatori, è che le stelle non nascono direttamente dall’idrogeno atomico neutro. Nascono dentro nubi molto più dense di gas molecolare. L’idrogeno neutro occupa una posizione intermedia, fa da ponte tra la grande riserva di gas cosmico e l’idrogeno molecolare che poi accende davvero le stelle. La domanda si sposta quindi da “il gas si sta esaurendo?” a “perché diventa sempre più difficile formare stelle pur avendo idrogeno neutro in abbondanza?”.
La risposta ipotizzata riguarda il ciclo barionico, cioè il modo in cui il gas circola dentro e fuori dalle galassie. Man mano che il flusso proveniente dalla ragnatela cosmica si indebolisce e le densità del gas diminuiscono, le galassie diventerebbero meno efficienti nel convertire idrogeno atomico in idrogeno molecolare. Il serbatoio complessivo resta stabile, ma la parte che serve davvero a fabbricare stelle si assottiglia.
Lo studio è stato guidato dagli Osservatori Astronomici Nazionali della Cina, dall’Osservatorio Astronomico di Shanghai dell’Accademia Cinese delle Scienze e dalla Shanghai Jiao Tong University, insieme ai ricercatori della collaborazione DESI, con contributi da istituti di Asia, Nord America ed Europa.
