宇宙恆星誕生率下降60%，氫儲備幾乎未減——燃料危機論遭推翻

過去45億年來，整個宇宙的恆星誕生率已下滑逾半，而最主流的解釋如今遭到動搖。一項涵蓋250萬個星系的巡天計畫，結合全球靈敏度最高的射電望遠鏡與歷來規模最大的光學巡天，發現宇宙至今仍保有其造星活動高峰期的大部分中性氫。無論究竟是什麼正在關閉宇宙的恆星搖籃，原因都不是原料短缺。

這項發表於Nature Astronomy的研究，來自中國科學院研究人員及其在DESI合作計畫中的國際夥伴。這是迄今對宇宙氫儲量所進行、規模最大的直接測量。它解答了一個困擾科學界數十年的問題：宇宙為何正在老去——而答案並非大多數天文學家所預期的那一個。

下滑幅度相當驚人。在約100億年前的高峰期，宇宙形成恆星的活躍程度約為今日的十倍。45億年前——當時地球才剛形成——宇宙整體的恆星形成率仍是現在的2.5倍。若這一趨勢延續下去，宇宙將沿著一條緩慢且不可逆轉的道路前進，天空中誕生的新太陽將愈來愈少。問題始終是：為什麼？

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他們如何測量宇宙的氫供應量

主流理論相當直觀：隨著星系老化，它們會耗盡自身的氣體儲備。燃料愈少，形成的恆星也愈少。為了在可觀測宇宙的尺度檢驗這項假說，研究人員必須同時測量橫跨數十億光年的中性原子氫——也就是星際空間中最豐富的氫形式。如此精確的測量，在此之前從未可能實現。

研究團隊結合了兩項儀器，首次讓這項測量變得可行。FAST——位於中國貴州省的500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），目前是全球最大的單口徑射電望遠鏡——可偵測中性氫自然發出的微弱21公分無線電輻射。位於亞利桑那州的DESI，即Dark Energy Spectroscopic Instrument，則為研究中的250萬個星系提供精確的光學紅移資料，據以確定它們的距離，以及每個星系被觀測時所處的宇宙時代。

這項名為HI光譜疊加的技術，處理了最核心的難題：沒有任何一個遙遠星系所發出的氫訊號，強到足以在宇宙學距離上被單獨偵測。團隊依據DESI提供的精確星系紅移，將數百萬條微弱的射電光譜對齊並疊加，把雜訊轉化為統計訊號——等同於同時傾聽數百萬場安靜的交談，而不是試圖在一個房間另一端辨識單一耳語。最終巡天覆蓋約整片天空的三分之一，回溯45億年的宇宙時間。此前從未有人以這樣的規模與靈敏度進行嘗試。

數據實際呈現的結果

結果明確無誤——也令標準模型頗為尷尬。在恆星形成率於同一45億年間下降2.5倍的同時，巡天體積內的中性氫密度僅下降1.4倍。按比例來看：恆星誕生率約下降60％；氫供應量則約下降29％。

這兩個數字之間的落差，正是現有理論面臨的難題。若氫的耗竭是恆星形成崩落的主要推手，兩條曲線理應彼此緊密對應。但它們沒有。這種不一致意味著，數十億立方光年的中性氫正閒置於星系之間及星系內部的空間——理論上可用於形成恆星，卻沒有如此運作。宇宙將氫轉換為恆星的速度，不足以解釋觀測到的衰退；而這種轉換不足，也無法僅以可用氫變少來說明。

跨越宇宙時間的比較進一步強化了這個結論。在對應本研究最深層測量、距今45億年的那個時代，造星活動與可用氫之間的比率，可測量地高於今日。氣體轉換為恆星的效率顯然發生了變化——而改變的並非手邊原料的數量。

還有什麼可能正在阻止恆星形成

論文指出，最可能找到瓶頸的位置在哪裡。中性原子氫不會直接塌縮成恆星；它必須先轉換為分子氫——一種密度更高、溫度更低的相態，才能在重力作用下真正凝聚成恆星搖籃。如今，最受懷疑、正在拖慢宇宙造星工廠的因素，是這一轉換過程的效率，而非其上游原子氫的供應量。

什麼因素控制這種轉換效率？有幾種可能機制。星系中心超大質量黑洞的回饋作用——加熱周圍氣體的高能噴流與星系風——可能阻止原子氫冷卻至恆星形成所需的分子相。早期世代恆星的輻射，可能以快過重力將氣體拉攏在一起的速度使氣體電離。環繞星系的瀰漫氣體暈，即星系周介質的性質，也可能隨宇宙時間以某些方式改變，降低原子氫沉降為造星雲的速率。尚未有單一機制獲確認為主導因素。本研究的貢獻在於，以前所未有的確定性與規模證實：沒有任何一種機制是透過耗盡氫供應本身來發揮作用。

這項研究尚未解決的問題

這項測量是針對數百萬個星系取平均後的族群層級結果，並非對任何單一星系演化的診斷。疊加法提供統計上穩健的宇宙平均值；它無法分離出特定星系類型、質量範圍或環境內部究竟正在發生什麼。至於逐一星系解釋恆星形成為何受到抑制，仍超出這項技術所及。

更根本地說，這項研究測量的是原子氫，也就是HI相。真正最終供應恆星形成的，是更難在宇宙學距離上偵測的分子氫，即H₂相。要在與本巡天相同的體積內繪製分子氫分布，是難度高得多的觀測任務，且以目前技術而言，尚無法在這一尺度上執行。這篇論文所指出、最可能是元凶的原子氣體與分子氣體之間瓶頸，仍未能在解答問題所需的尺度上加以測量。

作者指出，多種物理過程很可能在不同環境與宇宙時代中交互作用，造成觀測到的恆星形成衰退。任何完整理論不僅必須解釋這些氫測量結果，也必須納入個別星系形成歷史、恆星形成環境，以及星系尺度氣體流動所扮演角色的觀測資料。

關於宇宙恆星誕生率下降的常見問題

恆星形成率為何對宇宙的未來如此重要？

恆星鍛造出構成行星、化學與生命的重元素。隨著新恆星形成速率下降，宇宙建造新行星系統、並補充其所需元素的能力也隨之降低。本研究測得的趨勢，是一個緩慢、不可逆衰退中的宇宙所留下的實證特徵——恆星時代終結的開端。

太陽是否受到這種宇宙減速的影響？

不會。太陽形成於46億年前，並將持續燃燒約50億年。這種減速描述的是整個宇宙中新星系統被點燃的速率，而非已形成恆星的行為。我們的太陽系因其年齡而與這項趨勢隔絕。

為何FAST對這類測量不可或缺？

FAST的500米口徑，使其集光面積約為任何先前單口徑射電望遠鏡的40倍。正是這種靈敏度，使它得以偵測來自數十億光年外星系的微弱21公分氫訊號。若沒有FAST的集光能力，疊加技術無法在這些距離上產生具統計顯著性的結果。

這項研究是否代表星系老化的「燃料危機」理論是錯的？

它挑戰的是最簡單的版本：原子氫供應量下降會直接導致恆星形成下降。氫供應量的減少速度，遠不足以解釋觀測到的恆星誕生率降幅。看來正在發揮作用的是更複雜的過程——最可能涉及這些氫轉換為恆星形成所需分子相的效率過低。

團隊下一步的首要目標，是在可比擬的宇宙尺度上測量分子氫；包括Square Kilometre Array在內的下一代設施，最終或許能讓這項工作成為可能。在此之前，宇宙關於自身未來最具關鍵性的未解問題，又多了一個已獲證實的悖論：宇宙仍擁有大部分的氫，卻仍在耗盡恆星。

參考資料：et al., 「Cosmic star formation rate decline is not driven by neutral hydrogen depletion」, Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02965-9

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

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