星の誕生が60%減少——宇宙の水素供給はほぼそのまま

過去45億年の間に宇宙全体での星の誕生は半分以上も減少しており、その主要な説明とされてきた理論が崩れた。世界で最も感度の高い電波望遠鏡と、これまでに構築された最大の光学天体サーベイを組み合わせ、250万個の銀河を調査した結果、宇宙は星形成がピークだった時代とほぼ同量の中性水素を今なお保持していることが判明した。宇宙の星のゆりかごを閉ざしつつある原因は、原材料の不足ではない。

この発見は『Nature Astronomy』に掲載され、中国科学院の研究者とDESIコラボレーションの国際的なパートナーらによる成果である。宇宙全体の水素備蓄を直接測定したものとしては過去最大規模であり、なぜ宇宙が老化しつつあるのかという数十年にわたる疑問に一つの答えを提示している——その答えは、大半の天文学者が予想したものではなかった。

減少の規模は明白だ。約100億年前のピーク時、宇宙は現在の約10倍の勢いで星を生み出していた。45億年前——地球が形成されたばかりの頃——の宇宙全体の星形成率は、現在の2.5倍だった。この傾向が続けば、宇宙は新たな太陽がますます減る空へと、ゆっくりと不可逆的な道を進んでいることになる。問題は常に同じだった：なぜなのか？

おすすめの記事JWSTが銀河中心ブラックホールの目前で水を検出——銀河核でも化学反応は起きていた

宇宙の水素供給をどう測定したか

支配的な理論は直感的なものだった：銀河が老化するにつれてガスの備蓄を消耗する。燃料が減れば星も減る。この仮説を観測可能な宇宙規模で検証するためには、数十億光年にわたって同時に、星間空間で最も豊富な水素の形態である中性原子水素を測定する必要があった。これまでこの精度で実現されたことはなかった。

研究チームは、この測定を初めて可能にする二つの観測装置を組み合わせた。FAST——中国貴州省にある口径500メートルの球面電波望遠鏡で、現在世界最大の単一鏡電波望遠鏡——は、中性水素が自然に放射する微弱な21センチメートル電波を検出する。DESI（暗黒エネルギー分光装置）はアリゾナに設置され、研究対象となった250万個の銀河の精密な光学赤方偏移を提供し、各銀河の距離、ひいては観測された宇宙の時代を確定した。

「HIスペクトルスタッキング」と呼ばれるこの手法は、中心的な課題に対処した：遠方の銀河が単独で放つ水素信号は、宇宙論的距離では個別に検出できるほど強くない。DESIが提供した精密な銀河赤方偏移に従って、数百万の微弱な電波スペクトルを整列させ積み重ねることで、チームはノイズを統計的な信号に変換した——これは、部屋の向こう側のささやきを一つだけ聞き取ろうとする代わりに、何百万もの静かな会話を同時に聴くことに相当する。得られたサーベイは全天の約3分の1をカバーし、宇宙時間で45億年さかのぼる。この規模と感度での試みはこれまでにない。

数字が実際に示すもの

結果は明白だった——そして標準モデルにとっては都合が悪い。調査範囲における中性水素密度は、同じ45億年の間に星形成率が2.5倍減少したのに対し、わずか1.4倍しか減少していなかった。割合で言えば、星の誕生は約60％減少した。水素供給は約29％減少したにすぎない。

この二つの数字の差が、既存の理論にとっての問題である。もし水素の枯渇が星形成崩壊の主要因ならば、二つの曲線は互いに密接に追従するはずだ。しかしそうではない。この不一致は、数十億立方光年にわたる中性水素が銀河間および銀河内部の空間で未使用のまま存在している——原理的には星形成に利用可能だが、実際にはそうなっていない——ことを意味する。宇宙は観測された減少を説明するのに十分な速さで水素を星に変換しておらず、変換の不足は単に利用可能な水素が少ないことでは説明できない。

宇宙時間を通じた比較はこの点を補強する。研究の最深部測定に対応する45億年前の時代では、星形成活動と利用可能な水素の比率は現在よりも測定可能なほど高かった。ガスが星に変換される効率に何か変化が起きている——そしてその何かは、手持ちの原材料の量ではない。

他に星を止めている可能性

論文は、ボトルネックがどこにある可能性が最も高いかを特定している。中性原子水素は直接星に崩壊するわけではない。まず分子水素——より密度が高く低温の相で、重力下で実際に凝縮して星のゆりかごになり得る——に変換されなければならない。この変換効率こそが、原子水素の供給そのものではなく、宇宙の星工場を減速させている主要な容疑者となった。

その変換効率を左右するものは何か？いくつかのメカニズムが候補に挙がる。銀河中心の超巨大ブラックホールからのフィードバック——周囲のガスを加熱するエネルギー的なジェットや風——は、原子水素が星形成に必要な分子相に冷却するのを妨げる可能性がある。以前の世代の星からの放射は、重力がガスを引き寄せるよりも速くガスを電離させる。銀河を取り巻く拡散したガスハローである銀河周辺媒質の性質が宇宙時間とともに変化し、原子水素が星形成雲に落ち着く速度を低下させているかもしれない。どの単一メカニズムも支配的であるとは確認されていない。この研究の貢献は、前例のない確度と規模で、これらのメカニズムのどれもが水素供給そのものを枯渇させることによって作用しているわけではないことを立証した点にある。

この研究が解決しないこと

この測定は、数百万の銀河にわたる集団レベルの結果であり、個々の銀河の進化の診断ではない。スタッキング法は統計的に頑健な宇宙平均を与えるが、特定の銀河タイプ、質量範囲、環境内部で何が起きているかを分離することはできない。星形成が抑制されている理由を銀河ごとに描き出すことは、この手法の及ぶ範囲を超えている。

より根本的には、この研究は原子水素——HI相——を測定した。最終的に星形成を燃料とするのは分子水素、H₂相であり、これは宇宙論的距離での検出がはるかに困難である。このサーベイと同じ体積にわたって分子水素をマッピングすることは、はるかに困難な観測課題であり、現在の技術ではこの規模では実現不可能である。この論文が有力な原因として特定した原子ガスと分子ガスの間のボトルネックは、問題を解決するのに必要な規模ではまだ測定されていない。

著者らは、複数の物理過程がおそらく相互作用して、異なる環境や宇宙時代にわたって観測される星形成減少を生み出していると指摘する。完全な理論は、これらの水素測定だけでなく、個々の銀河形成史、星形成環境、銀河規模のガス流の役割に関する観測も説明する必要があるだろう。

宇宙の星誕生減少に関するよくある質問

星形成率が宇宙の未来にとってなぜ重要なのか？

星は惑星、化学、生命を構成する重元素を鍛え上げる。新たな星形成の割合が低下するにつれて、宇宙が新しい惑星系を構築し、それらが必要とする元素を補充する能力も低下する。この研究で測定された傾向は、ゆっくりと不可逆的に衰退する宇宙——恒星時代の終わりの始まり——の経験的な兆候を表している。

私たちの太陽はこの宇宙的な減速の影響を受けるのか？

いいえ。太陽は46億年前に形成され、今後も約50億年にわたって燃え続ける。この減速が表しているのは、宇宙全体で新しい星系が点火する速度であり、すでに形成された星の振る舞いではない。私たちの太陽系はその年齢によってこの傾向から隔離されている。

なぜFASTがこの種の測定に不可欠なのか？

FASTの500メートル口径は、これまでのどの単一鏡電波望遠鏡よりも約40倍大きい集光面積を与える。その感度こそが、数十億光年彼方の銀河からの微弱な21センチメートル水素信号を検出することを可能にする。FASTの集光力がなければ、スタッキング法はこれらの距離で統計的に有意な結果を生み出せないだろう。

この研究は、銀河老化の「燃料危機」理論が間違っていることを意味するのか？

それは最も単純なバージョン——中性水素供給の減少が直接星形成の減少を引き起こす——に挑戦するものである。水素供給は、観測された星誕生の減少を説明するのに十分な速さではまったく減少していない。より複雑な過程——おそらく、その水素が星形成に必要な分子相に変換される非効率さが関与している——が働いているように見える。

チームの次の即時のステップは、同等の宇宙規模で分子水素を測定することであり、これは次世代施設（Square Kilometre Arrayを含む）がいつか実現可能にするかもしれない課題である。それまでは、宇宙自身の未来に関する最も重要な未解決の疑問に、一つの確認されたパラドックスが加わった：宇宙はまだその水素のほとんどを保持しており、それでも星は尽きつつある。

参考文献：et al.,「Cosmic star formation rate decline is not driven by neutral hydrogen depletion」,『Nature Astronomy』, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02965-9

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

関連コンテンツ

DESIは標準宇宙論の常識を覆すつもりはなかった。しかし、銀河の地図がそれを成し遂げた。

JWSTが初期宇宙の銀河に潜む小さな星を発見、実際の質量は測定値の4倍

NGC 1365の4,546点で酸素をマッピングし、120億年の銀河進化を再構築する

宇宙は今もなお加速している — 二人のノーベル賞受賞者が再び証明しなければならなかった

地球は6000万年かけて冷えた——CO₂がどこへ消えたか、誰も知らなかった。今はわかった

暗黒物質が130億年前に銀河の自転を決定した — 7シグマで確認