Een team van astronomen van het National Center for Radio Astrophysics (NCRA-TIFR) in Pune, en het Raman Onderzoeksinstituut (RRI), in Bangalore, heeft de Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) gebruikt om het atomaire waterstofgasgehalte van sterrenstelsels 9 miljard jaar geleden te meten, in het jonge universum. Dit is het vroegste tijdperk in het heelal waarvoor er een meting is van het atomaire waterstofgehalte van sterrenstelsels. Het nieuwe resultaat is een cruciale bevestiging van het eerdere resultaat van de groep, waar ze 8 miljard jaar geleden het atomaire waterstofgehalte van sterrenstelsels hadden gemeten, en duwt ons begrip van sterrenstelsels naar nog eerder in het heelal. Het nieuwe onderzoek is gepubliceerd in het nummer van 2 juni 2021 van De astrofysische journaalbrieven .

Sterrenstelsels bestaan ​​voornamelijk uit gas en sterren, met nieuwe sterren die tijdens het leven van een melkwegstelsel uit het bestaande gas worden gevormd. Sterren werden veel vaker gevormd toen het heelal jong was dan tegenwoordig. Astronomen weten al meer dan twee decennia dat de stervormingsactiviteit in sterrenstelsels ongeveer 8-10 miljard jaar geleden het hoogst was, en is daarna gestaag gedaald. Tot voor kort, de oorzaak van deze daling was onbekend, vooral omdat we geen informatie hebben over de hoeveelheid atomair waterstofgas, de belangrijkste brandstof voor stervorming, in sterrenstelsels in deze vroege tijden. Dit veranderde vorig jaar toen een team van astronomen van NCRA en RRI, waaronder enkele van de auteurs uit de huidige studie, gebruikte de opgewaardeerde GMRT om de eerste meting van het atomaire waterstofgasgehalte van sterrenstelsels ongeveer 8 miljard jaar geleden te verkrijgen, toen de stervormingsactiviteit van het heelal begon af te nemen. Ze ontdekten dat de waarschijnlijke oorzaak voor de afname van stervorming in sterrenstelsels is dat sterrenstelsels bijna geen brandstof meer hadden.

Aditya Chowdhury, een doctoraat student aan NCRA-TIFR, en de hoofdauteur van zowel de nieuwe studie als de 2020-studie, zei, "Onze nieuwe resultaten zijn voor sterrenstelsels op nog vroegere tijden, maar nog steeds tegen het einde van het tijdperk van maximale stervormingsactiviteit. We ontdekken dat sterrenstelsels 9 miljard jaar geleden rijk waren aan atoomgas, met bijna drie keer zoveel massa in atomair gas als in sterren. Dit is heel anders dan de huidige sterrenstelsels zoals de Melkweg, waar de gasmassa bijna tien keer kleiner is dan de massa in sterren."

De meting van de atomaire waterstofgasmassa werd gedaan met behulp van de GMRT om te zoeken naar een spectraallijn in atomaire waterstof, die alleen met radiotelescopen kan worden gedetecteerd. Helaas, dit 21 cm signaal is erg zwak, en daarom bijna onmogelijk te detecteren van individuele sterrenstelsels op zulke grote afstanden, ongeveer 30 miljard lichtjaar van ons verwijderd, zelfs met krachtige telescopen zoals de GMRT. Het team gebruikte daarom een ​​techniek genaamd 'stapelen' om de gevoeligheid te verbeteren. Hierdoor konden ze het gemiddelde gasgehalte van bijna 3, 000 sterrenstelsels, door hun signalen van 21 cm te combineren.

"De observaties van onze studie werden ongeveer 5 jaar geleden uitgevoerd, voordat de GMRT in 2018 werd geüpgraded. We gebruikten de originele ontvangers en elektronicaketen van de GMRT vóór de upgrade, die een smalle bandbreedte had. We konden dus maar een beperkt aantal sterrenstelsels bestrijken; daarom bestrijkt onze huidige studie 3000 sterrenstelsels, vergeleken met de 8, 000 sterrenstelsels van onze studie uit 2020 met de grotere bandbreedte van de verbeterde GMR, " zei Nissim Kanekar van NCRA-TIFR, een co-auteur van de studie.

Barnali Das, een andere doctoraat student van NCRA-TIFR, toegevoegd, "Hoewel we minder sterrenstelsels hadden, we verhoogden onze gevoeligheid door langer te observeren, met bijna 400 uur aan observaties. Door de grote hoeveelheid data duurde de analyse lang."

"De stervorming in deze vroege sterrenstelsels is zo intens dat ze hun atoomgas in slechts twee miljard jaar zouden verbruiken. En, als de sterrenstelsels niet meer gas zouden kunnen verwerven, hun stervormingsactiviteit zou afnemen, en uiteindelijk ophouden.", zei Chowdhury. "Het lijkt dus waarschijnlijk dat de oorzaak van de afnemende stervorming in het heelal eenvoudigweg is dat sterrenstelsels na een bepaald tijdperk niet in staat waren hun gasreservoirs aan te vullen, waarschijnlijk omdat er niet genoeg gas beschikbaar was in hun omgeving."

"Reproduceerbaarheid is fundamenteel voor de wetenschap! Vorig jaar, we rapporteerden de eerste meting van het atomaire gasgehalte in zulke verre sterrenstelsels. Met het huidige resultaat, met een compleet andere set ontvangers en elektronica, we hebben nu twee onafhankelijke metingen van de atomaire gasmassa in deze vroege sterrenstelsels. Dit zou moeilijk te geloven zijn geweest, zelfs een paar jaar geleden, ' zei Kanekar.

KS Dwarakanath van RRI, een co-auteur van de studie, vermeld:"Het detecteren van het 21 cm-signaal van verre sterrenstelsels was het belangrijkste oorspronkelijke doel van de GMRT, en blijft een belangrijke wetenschappelijke drijfveer voor het bouwen van nog krachtigere telescopen zoals de Square Kilometre Array. Deze resultaten zijn uiterst belangrijk voor ons begrip van de evolutie van sterrenstelsels."