Das Universum produziert immer weniger stellare "Babys", und Wissenschaftler rätseln, warum. In den letzten 4,5 Milliarden Jahren ist die Rate, mit der neue Sterne entstehen, auf weniger als die Hälfte ihres früheren Niveaus gesunken. Doch der Vorrat an einem der wichtigsten "Treibstoffe" für die Sternentstehung – neutralem atomarem Wasserstoff – hat sich kaum verändert. Es ist, als ob eine Bäckerei keine Kunden mehr hat, während die Mehlregale voll sind.
Ein internationales Forschungsteam, geleitet von Wissenschaftlern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und in Zusammenarbeit mit dem Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)-Projekt, nutzte Chinas Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST), um präzise Messungen des kosmischen neutralen atomaren Wasserstoffs der letzten 4,5 Milliarden Jahre durchzuführen. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht online in Nature Astronomy am 1. September, offenbaren eine auffällige Diskrepanz: Die Sternentstehung ist stark zurückgegangen, während die Menge an neutralem atomarem Wasserstoff (HI) nur leicht abgenommen hat.
Zu verstehen, warum die Sternentstehung mit zunehmendem Alter des Universums weniger aktiv geworden ist, ist eine zentrale Frage der Galaxienentstehung und -entwicklung. Eine scheinbar naheliegende Erklärung ist, dass den Galaxien einfach das kalte Gas ausgegangen ist, das zur Bildung von Sternen benötigt wird. Wenn jedoch schwindende Gasvorräte die Ursache wären, würden Astronomen erwarten, dass der dramatische Rückgang der Sternentstehung von einem ähnlich großen Rückgang des verfügbaren Gases begleitet wird. Beobachtungen haben jedoch keinen so starken Rückgang gezeigt.
HI ist ein Schlüsselakteur in diesem kosmischen Puzzle. Es ist ein wichtiges kaltes Gasreservoir in Galaxien, das die allgemeine kosmische Gasversorgung mit den Prozessen verbindet, die neue Sterne formen. Astronomen detektieren HI normalerweise über seine extrem schwache 21-Zentimeter-Radioemissionslinie – ein Signal so schwach, dass es oft von Hintergrundrauschen überlagert wird, besonders bei entfernten Galaxien.
Jahrelang standen Astronomen vor einem Dilemma: Tiefenbeobachtungen konnten die erforderliche Empfindlichkeit erreichen, aber nicht große Himmelsregionen abdecken, während Weitfeldbeobachtungen nicht empfindlich genug waren, um solche schwachen Signale zu detektieren. Dies machte es schwierig, direkt und zuverlässig zu messen, wie sich die gesamte HI-Masse des Universums im Laufe der Zeit verändert hat.
Die neue Forschung kombinierte geschickt die außergewöhnliche Radioempfindlichkeit von FAST mit dem riesigen optischen Spektroskopie-Datensatz von DESI. Das Team untersuchte etwa 2,5 Millionen Galaxien, die fast ein Drittel des Himmels abdecken. Mit einer HI-Spektral-Stapelungsmethode richteten sie schwache Radiosignale – jedes zu schwach, um einzeln detektiert zu werden – basierend auf präzisen Galaxien-Rotverschiebungen aus, sodass das durchschnittliche HI-Signal aus dem Rauschen hervortrat. Dieser Ansatz ergab eine beispiellose Stichprobengröße und eine außergewöhnlich hohe statistische Präzision.
Die Ergebnisse zeigten eine eklatante Diskrepanz: Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren war die kosmische Sternentstehungsrate etwa 2,5-mal höher als heute, aber die Dichte des neutralen atomaren Wasserstoffs war nur etwa 1,4-mal höher. Mit anderen Worten: Die Sternentstehung ist eingebrochen, ohne dass das HI-Reservoir des Universums vergleichbar verschwunden ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die schnelle Erschöpfung von neutralem Wasserstoff allein den Rückgang nicht erklären kann.
Stattdessen vermuten die Forscher, dass das eigentliche Problem darin liegen könnte, wie Gas durch den Baryonenkreislauf fließt, nicht darin, wie viel HI insgesamt existiert. Wenn die Gasströme aus dem kosmischen Netz schwächer werden und die Gasdichten sinken, könnten Galaxien weniger effizient darin werden, HI in molekularen Wasserstoff umzuwandeln – die dichten Wolken, in denen tatsächlich Sterne entstehen. So bleibt das HI-Reservoir stabil, während das molekulare Gas, das die Sternentstehung direkt speist, schwindet.
Die Auswirkungen gehen über die bloße Messung von Wasserstoff hinaus. Die Ergebnisse bieten einen neuen Hinweis darauf, warum die Sternentstehungsmotoren des Universums allmählich stottern. Die Kombination von FAST- und DESI-Daten liefert einen neuen Beobachtungsmaßstab für die Untersuchung des kosmischen Gaskreislaufs, des langfristigen Rückgangs der Sternentstehung und breiterer galaxienformender Prozesse.
Die Forschung wurde von Wissenschaftlern der Nationalen Astronomischen Observatorien Chinas, des Shanghaier Astronomischen Observatoriums der CAS und der Shanghai-Jiao-Tong-Universität zusammen mit DESI-Mitarbeitern geleitet.