Trotz eines über Milliarden Jahre weitgehend stabilen Vorrats an neutralem atomarem Wasserstoff ist die kosmische Sternentstehungsrate stark eingebrochen. Zu diesem Ergebnis kommt eine Untersuchung von rund 2,5 Millionen Galaxien, die Daten des Radioteleskops FAST und des Dark Energy Spectroscopic Instrument kombiniert.
Im heutigen Kosmos werden deutlich weniger neue Sterne geboren als noch vor etwa viereinhalb Milliarden Jahren. Damals lag die Sternentstehungsrate rund viereinhalb Milliarden Jahre in der Vergangenheit bei etwa dem 2,5-Fachen des heutigen Wertes. Forscher gingen bisher davon aus, dass Galaxien im Laufe der Zeit schlicht ihren Vorrat an kaltem Gas aufbrauchen und deshalb die Sternfabriken drosseln. Neue Messungen und Daten zeigten jedoch, dass dieser klassische Erschöpfungsprozess allein nicht ausreicht, um den dramatischen Einbruch zu erklären.
FAST und DESI vermessen 2,5 Millionen Galaxien
Um die Entwicklung des kosmischen Gasvorrats über Jahrmilliarden hinweg nachzuvollziehen, setzte ein internationales Team unter Leitung von Wissenschaftlern der Chinese Academy of Sciences auf eine Kombination aus hochentwickelten Instrumenten. Die Forscher griffen auf Beobachtungen des chinesischen Radioteleskops FAST zurück, das zu den empfindlichsten Radioteleskopen weltweit gehört, und kombinierten diese mit Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument aus Arizona. In die gemeinsame Analyse flossen rund 2,5 Millionen Galaxien ein, die sich über nahezu ein Drittel des Himmels erstrecken.
Einzelne weit entfernte Galaxien senden meist zu wenig charakteristische 21-Zentimeter-Radiostrahlung aus, um ihren neutralen atomaren Wasserstoff direkt und sicher zu messen. Das Signal droht im allgegenwärtigen Hintergrundrauschen unterzugehen. Das Forschungsteam wandte deshalb eine Methode an, bei der die Radiospektren mithilfe der präzisen Galaxien-Rotverschiebungen angeordnet und zahlreiche Einzelsignale übereinandergelegt wurden. Durch dieses sogenannte Stacking trat das gemeinsame Wasserstoffsignal aus dem Rauschen hervor, wodurch sich die durchschnittliche Menge an neutralem atomarem Wasserstoff für verschiedene kosmische Epochen bestimmen ließ.
Kaum Rückgang beim atomaren Wasserstoff im späten Universum
Die Auswertung offenbarte einen deutlichen Gegensatz zwischen der Sternentstehung und den verfügbaren Gasreserven. Während die kosmische Sternentstehungsratendichte über den beobachteten Zeitraum von viereinhalb Milliarden Jahren um den Faktor 2,46 sank, nahm die gemessene Dichte des neutralen atomaren Wasserstoffs im Rohwert lediglich um den Faktor 1,35 ab. Nach konservativen systematischen Korrekturen ergibt sich sogar nur ein minimaler Rückgang um den Faktor 1,12.
Vor rund viereinhalb Milliarden Jahren entstanden im Universum etwa 2,5-mal so viele Sterne wie heute, während die Dichte des neutralen atomaren Wasserstoffs damals nur etwa 1,4-mal höher war. Auch innerhalb der bestehenden Galaxienpopulation bleibt diese Entwicklung stabil. Bei vergleichbarer Sternmasse veränderte sich der durchschnittliche Gasanteil an neutralem Wasserstoff um weniger als 0,2 dex, wie die Daten zeigen. Damit ist der geringe Rückgang keine reine Folge einer Verschiebung zwischen unterschiedlichen Galaxientypen, sondern betrifft weite Teile der untersuchten Population.
Der Engpass liegt im baryonischen Kreislauf und im Gasfluss
Der unerwartet stabile Vorrat an neutralem atomarem Wasserstoff wirft grundlegende Fragen zur Galaxienentwicklung auf. Neutraler atomarer Wasserstoff fungiert im Kosmos als wichtiges Zwischenreservoir, das den großräumigen Nachschub aus dem intergalaktischen Raum mit dem dichteren, unmittelbar sternbildenden Gas verbindet. Neue Sterne entstehen jedoch nicht direkt aus diesem atomaren Gas, sondern aus kalten, dichten Wolken aus molekularem Wasserstoff.
Dazwischen liegt ein entscheidender Umwandlungsschritt. Frühere Messungen hatten bereits gezeigt, dass sich die Dichte des molekularen Gases sehr viel stärker parallel zur Sternentstehung verändert. Die neuen Ergebnisse legen nahe, dass im späten Universum zwar ausreichend atomarer Wasserstoff vorhanden ist, aber deutlich weniger davon in die molekulare und schließlich sternbildende Phase gelangt. Als mögliche Ursachen diskutieren die Wissenschaftler einen nachlassenden kosmischen Gasnachschub aus dem kosmischen Netz sowie veränderte Bedingungen bei der Umwandlung von atomarem in molekulares Gas.
Zudem könnten geringerer Gasdruck, nachlassende Abschirmung, Turbulenz oder Rückkopplungseffekte durch aktive Galaxienkerne und bestehende Sterne den Durchsatz im baryonischen Kreislauf bremsen. Die neuen Messungen liefern damit vor allem eine präzise Randbedingung für künftige Modelle der Kosmologie und Galaxienentwicklung, die nun erklären müssen, warum der Kosmos trotz ausreichender atomarer Rohstoffe immer ineffizienter bei der Produktion neuer Sterne wird.
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