La formazione stellare è calata del 60% — l’idrogeno dell’universo è quasi intatto

La formazione stellare è diminuita di oltre la metà in tutto il cosmo negli ultimi 4,5 miliardi di anni, e la spiegazione principale è appena crollata. Un’indagine su 2,5 milioni di galassie — che combina il radiotelescopio più sensibile del mondo con il più grande rilievo ottico del cielo mai realizzato — ha scoperto che l’universo conserva ancora la maggior parte dell’idrogeno neutro che possedeva al suo picco di formazione stellare. Qualunque cosa stia spegnendo i vivai cosmici, non è una carenza di materia prima.

La scoperta, pubblicata su Nature Astronomy, arriva da ricercatori della Chinese Academy of Sciences e dei loro partner internazionali nella collaborazione DESI. È la più grande misurazione diretta delle riserve cosmiche di idrogeno mai effettuata. Risolve una questione vecchia di decenni sul perché l’universo stia invecchiando — e la risposta non è quella che la maggior parte degli astronomi si aspettava.

La portata del declino è netta. Al suo picco, circa 10 miliardi di anni fa, l’universo produceva stelle circa dieci volte più vigorosamente di oggi. Quattro miliardi e mezzo di anni fa — quando la Terra si stava appena formando — il tasso di formazione stellare cosmico era ancora 2,5 volte più alto di adesso. Se questa traiettoria continua, l’universo è su un lento e irreversibile percorso verso un cielo con sempre meno nuovi soli. La domanda è sempre stata: perché?

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Come hanno misurato la riserva di idrogeno dell’universo

La teoria dominante è stata intuitiva: man mano che le galassie invecchiano, esauriscono le loro riserve di gas. Meno carburante significa meno stelle. Per testare questa ipotesi alla scala dell’universo osservabile, i ricercatori avevano bisogno di misurare l’idrogeno atomico neutro — la forma più abbondante di idrogeno nello spazio interstellare — attraverso miliardi di anni luce simultaneamente. Non era mai stato possibile prima con questa precisione.

Il team ha combinato due strumenti che insieme rendono la misurazione affrontabile per la prima volta. FAST — il radiotelescopio sferico con apertura di cinquecento metri nella provincia di Guizhou, in Cina, attualmente il più grande radiotelescopio a singola parabola del mondo — rileva la debole emissione radio a 21 centimetri che l’idrogeno neutro emette naturalmente. DESI, lo Strumento Spettroscopico per l’Energia Oscura in Arizona, ha fornito precisi redshift ottici per le 2,5 milioni di galassie nello studio, stabilendo le loro distanze e quindi l’epoca cosmica in cui ciascuna è stata osservata.

La tecnica, chiamata stacking spettrale HI, ha affrontato la sfida centrale: nessuna singola galassia distante emette abbastanza segnale di idrogeno per essere rilevata individualmente a distanze cosmologiche. Allineando e sovrapponendo milioni di spettri radio deboli secondo i precisi redshift galattici forniti da DESI, il team ha convertito il rumore in segnale statistico — equivalente ad ascoltare milioni di conversazioni silenziose simultaneamente invece di cercare di isolare un singolo sussurro attraverso una stanza. Il rilievo risultante ha coperto circa un terzo dell’intero cielo, estendendosi indietro di 4,5 miliardi di anni nel tempo cosmico. Nulla di questa scala e sensibilità è stato tentato prima.

Cosa mostrano realmente i numeri

I risultati sono stati inequivocabili — e scomodi per il modello standard. La densità di idrogeno neutro nel volume esaminato è diminuita di un fattore di solo 1,4 nello stesso periodo di 4,5 miliardi di anni in cui il tasso di formazione stellare è calato di un fattore di 2,5. In termini proporzionali: la nascita di stelle è diminuita di circa il 60%. La riserva di idrogeno è diminuita di circa il 29%.

Il divario tra questi due numeri è il problema per la teoria esistente. Se l’esaurimento dell’idrogeno fosse il principale motore del collasso della formazione stellare, le due curve si seguirebbero da vicino. Non lo fanno. La discrepanza significa che miliardi di anni luce cubi di idrogeno neutro rimangono inutilizzati negli spazi tra e dentro le galassie — disponibili in linea di principio per formare stelle, ma non lo fanno. L’universo non sta convertendo il suo idrogeno in stelle abbastanza velocemente da giustificare il declino osservato, e la carenza nella conversione non può essere spiegata semplicemente con una minore quantità di idrogeno disponibile.

Il confronto attraverso il tempo cosmico rafforza il punto. All’epoca di 4,5 miliardi di anni fa che corrisponde alle misurazioni più profonde dello studio, il rapporto tra attività di formazione stellare e idrogeno disponibile era misurabilmente più alto di oggi. Qualcosa è cambiato nel modo in cui il gas si converte in stelle — e quel qualcosa non è la quantità di materia prima a disposizione.

Cos’altro potrebbe fermare le stelle

L’articolo identifica dove si trova molto probabilmente il collo di bottiglia. L’idrogeno atomico neutro non collassa direttamente in stelle. Deve prima convertirsi in idrogeno molecolare — la fase più densa e fredda che può effettivamente condensare sotto gravità in vivai stellari. L’efficienza di quella conversione, piuttosto che la fornitura di idrogeno atomico a monte, è ora il principale sospettato per ciò che sta rallentando le fabbriche di stelle dell’universo.

Cosa controlla quell’efficienza di conversione? Diversi meccanismi sono candidati. Il feedback dei buchi neri supermassicci al centro delle galassie — getti energetici e venti che riscaldano il gas circostante — può impedire all’idrogeno atomico di raffreddarsi nella fase molecolare necessaria per la formazione stellare. La radiazione di generazioni precedenti di stelle può ionizzare il gas più velocemente di quanto la gravità possa aggregarlo. Le proprietà del mezzo circumgalattico, gli aloni di gas diffuso che circondano le galassie, potrebbero essere cambiate nel tempo cosmico in modi che riducono la velocità con cui l’idrogeno atomico si deposita in nubi di formazione stellare. Nessun singolo meccanismo è stato confermato come dominante. Il contributo dello studio è stabilire, con una certezza e una scala senza precedenti, che nessuno di essi funziona esaurendo la riserva di idrogeno stesso.

Ciò che questo studio non risolve

La misurazione è un risultato a livello di popolazione, mediato su milioni di galassie, non una diagnosi dell’evoluzione di una singola galassia. Il metodo di stacking fornisce medie cosmiche statisticamente robuste; non può isolare ciò che accade all’interno di specifici tipi di galassia, intervalli di massa o ambienti. Un quadro galassia per galassia del perché la formazione stellare è soppressa rimane fuori portata per questa tecnica.

Più fondamentalmente, lo studio ha misurato l’idrogeno atomico — la fase HI. Ciò che alimenta ultimamente la formazione stellare è l’idrogeno molecolare, la fase H₂, che è molto più difficile da rilevare a distanze cosmologiche. Mappare l’idrogeno molecolare attraverso lo stesso volume di questo rilievo sarebbe un compito osservativo molto più impegnativo e non è ancora tecnicamente fattibile a questa scala. Il collo di bottiglia tra gas atomico e molecolare, che questo articolo identifica come il probabile colpevole, rimane non misurato alla scala necessaria per risolvere la questione.

Gli autori notano che molteplici processi fisici probabilmente interagiscono per produrre il declino osservato della formazione stellare attraverso diversi ambienti ed epoche cosmiche. Qualsiasi teoria completa dovrà tenere conto non solo di queste misurazioni dell’idrogeno, ma anche delle osservazioni delle storie di formazione delle singole galassie, degli ambienti di formazione stellare e del ruolo dei flussi di gas su scala galattica.

Domande comuni sul declino della nascita di stelle cosmiche

Perché il tasso di formazione stellare è importante per il futuro dell’universo?

Le stelle forgiano gli elementi pesanti che compongono pianeti, chimica e vita. Mentre il tasso di nuova formazione stellare diminuisce, la capacità dell’universo di costruire nuovi sistemi planetari e rifornire gli elementi di cui hanno bisogno declina con esso. La tendenza misurata da questo studio rappresenta la firma empirica di un cosmo in lento e irreversibile declino — l’inizio della fine dell’epoca stellare.

Il nostro Sole è influenzato da questo rallentamento cosmico?

No. Il Sole si è formato 4,6 miliardi di anni fa e continuerà a bruciare per circa altri 5 miliardi di anni. Il rallentamento descrive la velocità con cui nuovi sistemi stellari si accendono nell’universo, non il comportamento delle stelle già formate. Il nostro Sistema Solare è isolato dalla tendenza a causa della sua età.

Cosa rende FAST essenziale per questo tipo di misurazione?

L’apertura di 500 metri di FAST gli conferisce un’area di raccolta circa 40 volte più grande di qualsiasi precedente radiotelescopio a singola parabola. Quella sensibilità è ciò che rende possibile rilevare il debole segnale di idrogeno a 21 centimetri da galassie distanti miliardi di anni luce. Senza la potenza di raccolta di FAST, la tecnica di stacking non produrrebbe un risultato statisticamente significativo a queste distanze.

Questo studio significa che la teoria della ‘crisi di carburante’ dell’invecchiamento galattico è sbagliata?

Sfida la versione più semplice: che il declino della fornitura di idrogeno atomico guidi direttamente il declino della formazione stellare. La riserva di idrogeno non è diminuita abbastanza velocemente da giustificare il calo osservato nella nascita di stelle. Sembra essere in gioco un processo più complesso — molto probabilmente legato a quanto inefficientemente quell’idrogeno si converte nella fase molecolare necessaria per la formazione stellare.

Il passo successivo immediato del team è misurare l’idrogeno molecolare a scale cosmiche comparabili, un compito che strutture di nuova generazione tra cui il Square Kilometre Array potrebbero eventualmente rendere affrontabile. Fino ad allora, la domanda aperta più consequenziale dell’universo sul proprio futuro è cresciuta di un paradosso confermato: il cosmo ha ancora la maggior parte del suo idrogeno, e sta ancora esaurendo le stelle.

Reference: et al., “Cosmic star formation rate decline is not driven by neutral hydrogen depletion,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02965-9

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

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