Pourquoi l’Univers a-t-il de plus en plus de mal à former de nouvelles étoiles ? Une explication courante veut que le « carburant » des étoiles — le gaz froid — soit continuellement consommé, entraînant un déclin de l’activité de formation stellaire. Pourtant, la dernière observation conjointe de « FAST » (le radiotélescope sphérique de cinq cents mètres d’ouverture, dit « Œil de Chine ») et du spectroscope à énergie sombre international (DESI) apporte une réponse inattendue : bien que l’activité de formation stellaire de l’Univers ait nettement diminué au cours des 4,5 derniers milliards d’années, l’hydrogène neutre, importante réserve de gaz froid, ne s’est pas épuisé en parallèle. Le « réservoir de carburant » de l’Univers conserve encore des réserves ; le problème pourrait se situer dans l’étape de « transformation ». Les résultats de cette recherche ont été publiés en ligne le 1er dans la revue Nature Astronomy.
L’hydrogène neutre est un maillon clé reliant la circulation du gaz à grande échelle des galaxies à la formation stellaire interne. Il émet des signaux via une raie spectrale radio extrêmement faible à 21 centimètres. Pour les galaxies lointaines, un signal individuel est souvent noyé dans le bruit de fond, comme il est difficile d’entendre un murmure dans une place bruyante. Par conséquent, l’évolution de la quantité totale d’hydrogène neutre dans l’Univers manquait de preuves fiables.
Cette fois, une équipe internationale composée de l’Observatoire astronomique national de l’Académie chinoise des sciences, de l’Observatoire astronomique de Shanghai de l’Académie chinoise des sciences, de l’Université Jiao Tong de Shanghai, entre autres, a profondément combiné les observations radio à haute sensibilité de FAST avec le relevé spectroscopique à grande échelle de DESI, analysant environ 2,5 millions de galaxies couvrant environ un tiers du ciel, et a retracé la trajectoire d’évolution de l’hydrogène neutre de l’Univers avec une précision statistique sans précédent.
« Nous avons utilisé la technique d’empilement des raies spectrales de l’hydrogène neutre : en alignant précisément un grand nombre de signaux faibles, individuellement indétectables, selon la distance des galaxies, puis en les additionnant, c’est comme si des millions de voix faibles prononçaient simultanément la même phrase, nous avons enfin extrait le signal moyen du bruit », a expliqué Zhang Chuanpeng, premier auteur de l’article et chercheur associé à l’Observatoire astronomique national de l’Académie chinoise des sciences.
Les résultats des mesures montrent que le taux de formation stellaire de l’Univers il y a 4,5 milliards d’années était environ 2,5 fois supérieur à celui d’aujourd’hui, tandis que la densité d’hydrogène atomique neutre de la même époque n’était qu’environ 1,4 fois supérieure à celle d’aujourd’hui. Autrement dit, alors que l’activité de formation stellaire « chutait brutalement », la réserve d’hydrogène neutre de l’Univers ne s’épuisait pas en parallèle. « Si l’épuisement du carburant était la cause principale, les deux auraient dû diminuer de manière synchrone, mais les données ne soutiennent pas cette hypothèse », a déclaré Guo Hong, auteur correspondant de l’article et chercheur à l’Observatoire astronomique de Shanghai de l’Académie chinoise des sciences.
Alors, où se situe le problème ? Zhang Chuanpeng explique que les étoiles ne se forment pas directement à partir de l’hydrogène neutre. L’hydrogène neutre doit d’abord se transformer en nuages d’hydrogène moléculaire plus denses, qui sont la véritable « salle d’accouchement » des étoiles. Ce qui a réellement changé de manière significative dans l’Univers tardif pourrait être le processus de transformation du gaz, de l’hydrogène neutre à l’hydrogène moléculaire, puis aux étoiles. Avec la diminution de l’apport en gaz et la baisse de sa densité, l’efficacité de la transformation de l’hydrogène neutre en hydrogène moléculaire a diminué. Ainsi, la réserve d’hydrogène neutre a pu être préservée de manière relativement stable, tandis que le gaz moléculaire, véritablement capable de former directement des étoiles, diminue lentement.
« Ce que nous observons n’est pas un manque de gaz dans l’Univers, mais un gaz de plus en plus difficile à “transformer” en étoiles », a indiqué Guo Hong. Cette découverte déplace le débat de la question « le gaz est-il épuisé ? » vers « pourquoi le gaz est-il présent mais inutilisable ? », offrant un nouvel indice clé pour comprendre le déclin de la formation stellaire dans l’Univers.