70 亿年前一个恒星形成星系中的中性原子氢

中性原子氢 (HI) 构成宇宙重子循环的一个关键相，连接着电离的星系周介质和恒星形成的分子气体。然而，在其被发现近 75 年后，通过 21cm 发射线直接观测 HI 仍主要局限于邻近宇宙。间接测量和统计分析表明，过去 100 亿年间共动 HI 密度几乎没有演化，与同一时期宇宙恒星形成率密度下降一个数量级形成鲜明对比。解决这一矛盾需要在更早时期的单个代表性星系中进行直接 HI 测量。在此，我们报告了对 Dragon Arc 的 HI 21cm 发射的探测，这是一个 $z=0.725$ 的引力透化主序恒星形成星系，是利用 MeerKAT 射电望远镜观测到的 66 亿年前的状态。推断的内禀 HI 质量 $M_{\rm HI}=10^{9.66^{+0.16}_{-0.19}}\,\mathrm{M}_\odot$ 和 $205^{+66}_{-48}\,\mathrm{km\,s^{-1}}$ 的速度宽度与局域恒星形成星系标度关系的预期一致。由此得到的 HI 耗竭时间 $1.2^{+1.0}_{-0.6}\,\mathrm{Gyr}$ 显著短于在局域对类似星系测得的 $\sim5-10$ Gyr。这表明该星系必须快速补充其原子气体储库以维持在恒星形成主序上。这一探测表明，强引力透镜效应结合现代厘米波设施，现在能够揭示远超局域宇宙的典型星系的 HI 储库，为直接追踪宇宙原子气体供应演化的统计样本开辟了新途径。