本项研究成果艺术想象图。kaiyun官网入口 供图

宇宙中性氢密度随红移的演化趋势示意图。kaiyun官网入口 供图

作为广袤宇宙中迄今所知唯一存在生命的星球，地球诞生约45亿年以来，宇宙发生了怎样的变化？恒星形成活动为什么衰减？备受关注。

发现并绘制宇宙演化新图景

中国天文学家领导的国际团队，最新利用“中国天眼”（500米口径球面射电望远镜，FAST）与“国际暗眼”——国际暗能量光谱（DESI），对距今45亿年以来的宇宙中性原子氢（中性氢）演化进行高精度测量，发现并绘制出一幅宇宙演化的新图景。

这项重要的天文研究发现，尽管45亿年来宇宙恒星形成活动显著减弱至逐渐停止，但作为星系重要气体储备的中性氢却仅发生缓慢变化。

其相关成果论文由kaiyun官网入口国家天文台、上海天文台和上海交通大学研究团队联合国际暗能量光谱仪团队共同完成，9月1日在国际专业学术期刊《自然-天文学》发表。

研究团队表示，“中国天眼”与国际暗能量光谱仪的此次联合观测，为理解宇宙晚期气体循环、恒星形成衰退及星系演化确立了新的重要观测基准。

精确追踪中性氢的演化轨迹

为什么宇宙越来越难以形成新的恒星？这是星系形成与演化领域长期关注的核心问题。

研究团队介绍，一个直观而流行的解释是：随着宇宙演化，孕育恒星的冷气体不断被消耗，最终导致造星活动衰退。如果这一图景成立，那么恒星形成率的下降，必然应当伴随着冷气体储备的同步骤减。

中性氢是星系中最重要的冷气体储备之一，也是连接星系大尺度气体循环与内部恒星形成的关键纽带。然而，中性氢主要通过极其微弱的21厘米射电谱线被探测，对于遥远星系而言，单个信号往往淹没在背景噪声中。

过去的观测长期受限于“看得深却看不广、看得广又不够深”的瓶颈，导致中低红移宇宙的中性氢总量如何随时间演变，始终缺少可靠的直接观测证据。

此次研究将“中国天眼”的高灵敏度射电观测与国际暗能量光谱仪的大规模光谱巡天深度融合，分析了覆盖约三分之一天区的约250万个星系。

研究团队利用中性氢谱线叠加技术，将大量单个无法直接探测的微弱信号，按星系的红移精确对齐并叠加，成功从噪声中提取出平均中性氢信号，从而在前所未有的统计精度与大样本尺度上，精确追踪了宇宙中性氢的演化轨迹。

解释恒星形成为何逐渐停止

本次精准的测量结果显示：45亿年前的宇宙恒星形成率约为今天的2.5倍，而同期的中性原子氢密度仅约为今天的1.4倍。也就是说，在恒星形成活动大幅暴跌的同时，宇宙中的中性氢储备并未同步枯竭。这种演化速率上的强烈反差，直接排除了“中性氢快速耗尽导致恒星形成衰退”这一简单的物理图景。

这项成果将宇宙中性氢领域的探讨焦点，从“气体是否耗尽”成功推进到“为何中性氢储备充足，恒星形成却日益艰难”。恒星主要诞生于更加致密的分子气体云中，而中性原子氢正处于大尺度气体供应与分子气体形成之间的关键中间节点。

此次研究提示，晚期宇宙真正发生显著变化的，可能是气体从中性原子氢向分子氢、再到恒星的转化过程。随着宇宙网供气减弱、气体密度降低，中性氢向分子氢转化的效率随之下降，这使得中性氢储备得以保持相对稳定，而真正能直接孕育恒星的分子气体却在逐渐减少。

研究团队认为，因此，宇宙中性氢的高精度测量，其意义远不止于“测量了宇宙中有多少氢”，更是为解释宇宙为何逐渐停止恒星形成提供了全新的关键线索。