宇宙中的恆星究竟是從哪裡來的呢？是什麼條件讓星系能夠持續大量誕生新恆星？中央研究院天文及天文物理研究所助研究員江奕寬，首次從宇宙尺度量測碳元素譜線形成的背景微光訊號，發現在恆星形成最活躍的年代，宇宙中的分子氣體可能比過去估計多出將近兩倍。這項成果不僅補上宇宙物質循環的重要拼圖，更揭示恆星誕生背後的關鍵動力。研究成果於2026年3月初發表於《自然天文學》（Nature Astronomy）期刊。
宇宙早期的造星活動如同城市夜晚的燈火般密集，然而隨著時間推移，恆星誕生的速度卻慢了下來。一直以來，科學家很想知道是什麼原因讓宇宙的造星活動變慢？過去的研究聚焦在星系巡天觀測，不過受限於儀器而只能觀察到那些明亮、巨大的星系，許多黯淡的小型星系因此被忽略，使宇宙真正的氣體庫存難以完整被科學家掌握。
為了補上這塊拼圖，中研院天文所江奕寬助研究員採用創新的觀測方法：「線強度映射」（Line-Intensity Mapping）。這個方法用統計來克服傳統觀測單個星系的限制，針對全宇宙的一氧化碳與電離碳平均背景微光進行測量。每個星系中的氣體雲都會釋放出極其微弱的一氧化碳與電離碳譜線輻射，當所有星系的訊號疊加在一起時，就會形成一層瀰漫全宇宙的背景微光。
▲ 研究使用的其中11個波段的天空觀測照，資料來自普朗克衛星（Planck）、赫歇爾太空望遠鏡（Herschel）和紅外線天文衛星（IRAS）。（Source：江奕寬／中央研究院天文所，下同）
江奕寬形容：「就像從飛機上俯瞰夜晚的城市，即使無法分辨每一棟建築，仍然能從整體亮度分布，推算整座城市的規模。」透過分析普朗克衛星（Planck）、赫歇爾太空望遠鏡（Herschel），以及紅外線天文衛星（IRAS）的全天空資料，江奕寬為宇宙做的「氣體斷層掃描」，讓原本隱藏在黑暗中的訊號得以現形。其中一氧化碳訊號代表著孕育恆星的「燃料存量」，而電離碳訊號則反映造星活動的「散熱強度」。透過一氧化碳訊號的統計分析，讓科學家得以首次估算宇宙中的分子氣體總量，描繪出跨越約120億年的宇宙演化歷史。
▲ 本研究量測之一氧化碳譜線強度推算的宇宙分子氣體密度演化史（黑色曲線與圓點），與傳統星系巡天的估計結果（淺藍色符號）及理論模型（桃紅色虛線）形成對照。橫軸為紅移，代表宇宙時間軸，由右至左對應從早期宇宙到現今宇宙。由於星系巡天僅涵蓋可被單獨偵測的明亮星系，其結果往往低估了整體氣體含量。此項研究顯示，在大量黯淡星系中仍蘊藏著相當可觀的分子氣體儲量。
研究發現，在宇宙恆星形成最旺盛的年代，星系所擁有的分子氣體密度比過去研究估計高出將近兩倍，意味著宇宙擁有一座比我們想像更龐大的「恆星燃料庫」。研究結果解釋了為何星系能在那個時期以極高的速度大量誕生恆星，因為當時的宇宙本身蘊藏極其豐富的原料。
這項研究不僅更新了氣體庫存的估計，更進一步驗證宇宙恆星形成的興衰歷史是由「氣體供應」所主導。研究指出，宇宙造星活動之所以在100億年前達到巔峰後逐漸走下坡，關鍵在於氣體儲量。星系中的分子氣體若沒有新燃料補充，約10億年就會被轉換成恆星而消耗殆盡。因此，宇宙的造星歷史依賴一條跨越時空的「宇宙供應鏈」，氣體從更大尺度的宇宙網結構流入星系、冷卻形成分子雲，最終塌縮點燃一顆顆新生恆星。
研究成果不僅首次量測一氧化碳與電離碳的宇宙平均背景強度，透過這層看似薄弱的「碳元素微光」，科學家得以看見過去隱而未現的氣體宇宙。這項結果也證實早期宇宙的分子氣體庫存比既有估計高出兩倍。研究進一步描繪出星系如何成長、恆星如何誕生，以及物質在宇宙中的分布全貌，也為探索宇宙結構與演化歷史打開了一扇嶄新的窗口。
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