近日，中國科學院國家天文台、上海天文台、上海交通大學等組成的國際合作團隊（所有單位貢獻相同），利用中國天眼（FAST）與國際暗能量光譜儀（DESI），對距今45億年以來的宇宙中性氫演化進行了高精度測量。研究發現，儘管同期宇宙恒星形成活動顯著減弱，但作為星系重要氣體儲備的中性原子氫卻僅發生緩慢變化。相關成果於2026年9月1日發表在國際學術期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）。
為什麼宇宙越來越難以形成新的恒星？這是星系形成與演化領域長期關注的核心問題。一個直觀而流行的解釋是：隨着宇宙演化，孕育恒星的冷氣體不斷被消耗，最終導致造星活動衰退。如果這一圖景成立，那麼恒星形成率的下降，必然應當伴隨着冷氣體儲備的同步驟減。
中性原子氫（中性氫）是星系中最重要的冷氣體儲備之一，也是連接星系大尺度氣體循環與內部恒星形成的關鍵紐帶。然而，中性氫主要通過極其微弱的21厘米射電譜線被探測，對於遙遠星系而言，單個信號往往淹沒在背景噪聲中。過去的觀測長期受限於「看得深卻看不廣、看得廣又不夠深」的瓶頸，導致中低紅移宇宙的中性氫總量如何隨時間演變，始終缺少可靠的直接觀測證據。
此次研究將FAST的高靈敏度射電觀測與DESI的大規模光譜巡天深度融合，分析了覆蓋約三分之一天區的約250萬個星系。研究人員利用中性氫譜線疊加技術，將大量單個無法直接探測的微弱信號，按星系的紅移精確對齊併疊加，成功從噪聲中提取出平均中性氫信號，從而在前所未有的統計精度與大樣本尺度上，精確追蹤了宇宙中性氫的演化軌跡。
精準的測量結果顯示：45億年前的宇宙恒星形成率約為今天的2.5倍，而同期的中性原子氫密度僅約為今天的1.4倍。也就是說，在恒星形成活動大幅暴跌的同時，宇宙中的中性氫儲備並未同步枯竭。這種演化速率上的強烈反差，直接排除了「中性氫快速耗盡導致恒星形成衰退」這一簡單的物理圖景。
這項成果將該領域的探討焦點，從「氣體是否耗盡」成功推進到了「為何中性氫儲備充足，恒星形成卻日益艱難」。恒星主要誕生於更加緻密的分子氣體雲中，而中性原子氫正處於大尺度氣體供應與分子氣體形成之間的關鍵中間節點。研究提示，晚期宇宙真正發生顯著變化的，可能是氣體從中性原子氫向分子氫、再到恒星的轉化過程。隨着宇宙網供氣減弱、氣體密度降低，中性氫向分子氫轉化的效率隨之下降，這使得中性氫儲備得以保持相對穩定，而真正能直接孕育恒星的分子氣體卻在逐漸減少。
因此，這項工作的意義遠不止於「測量了宇宙中有多少氫」，更是為解釋宇宙為何逐漸停止恒星形成提供了全新的關鍵線索。FAST與DESI的此次聯合觀測，為理解宇宙晚期氣體循環、恒星形成衰退及星系演化確立了新的重要觀測基準。
該研究由中國科學院國家天文台姜鵬研究員團隊、上海天文台郭宏研究員團隊，以及上海交通大學楊小虎教授、景益鵬院士團隊，聯合DESI國際團隊共同完成，論文第一作者為中國科學院國家天文台張傳朋副研究員、上海天文台郭宏研究員、上海交通大學顧一舟助理研究員。研究同時得到了國家自然科學基金委員會、中國科學院、科學技術部等機構的項目資助。
