Het heelal produceert minder stellaire 'baby's', en wetenschappers krabben zich achter de oren waarom. In de afgelopen 4,5 miljard jaar is de snelheid waarmee nieuwe sterren ontstaan, gedaald tot minder dan de helft van het vorige niveau. Toch is de voorraad van een van de meest kritieke 'brandstoffen' voor stervorming - neutraal atomair waterstof - nauwelijks veranderd. Het is alsof een bakkerij klanten verliest terwijl de schappen met bloem goed gevuld blijven.

Een internationaal onderzoeksteam, geleid door wetenschappers van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) en samenwerkend met het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)-project, gebruikte China's Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) om nauwkeurige metingen te doen van kosmisch neutraal atomair waterstof over de afgelopen 4,5 miljard jaar. Hun bevindingen, gepubliceerd in Nature Astronomy op 1 september, onthullen een opvallende mismatch: stervorming is sterk afgenomen, terwijl de hoeveelheid neutraal atomair waterstof (HI) slechts bescheiden is gedaald.

Begrijpen waarom stervorming minder actief is geworden naarmate het heelal ouder wordt, is een belangrijke vraag in de vorming en evolutie van sterrenstelsels. Een schijnbaar voor de hand liggende verklaring is dat sterrenstelsels simpelweg de koude gasvoorraad hebben uitgeput die nodig is om sterren te produceren. Maar als afnemende gasvoorraden de boosdoener waren, zouden astronomen verwachten dat de dramatische daling in stervorming gepaard gaat met een even grote afname in beschikbaar gas. Waarnemingen tonen echter niet zo'n scherpe uitputting.

HI is een sleutelrolspeler in deze kosmische puzzel. Het is een belangrijke koude gasreservoir binnen sterrenstelsels, die de bredere kosmische gastoevoer verbindt met de processen die nieuwe sterren smeden. Astronomen detecteren HI meestal via de uiterst zwakke 21-centimeter radio-emissielijn - een signaal zo zwak dat het vaak wordt overspoeld door achtergrondruis, vooral van verre sterrenstelsels.

Jarenlang stonden astronomen voor een Catch-22: diepe surveys konden de benodigde gevoeligheid bereiken maar konden geen grote hemelgebieden scannen, terwijl grootschalige surveys de gevoeligheid misten om zulke zwakke signalen te detecteren. Dit maakte het moeilijk om direct en betrouwbaar te meten hoe de totale HI-massa van het heelal in de loop van de tijd is veranderd.

Het nieuwe onderzoek combineerde op slimme wijze FAST's uitzonderlijke radio-gevoeligheid met DESI's enorme optische spectroscopische dataset. Het team bestudeerde ongeveer 2,5 miljoen sterrenstelsels die bijna een derde van de hemel beslaan. Met behulp van een HI-spectrale stapelmethode rangschikten ze zwakke radiosignalen - elk te zwak om individueel te detecteren - op basis van nauwkeurige roodverschuivingen van sterrenstelsels, waardoor het gemiddelde HI-signaal uit de ruis naar voren kwam. Deze aanpak gaf hen een ongekende steekproefomvang en uitzonderlijk hoge statistische precisie.

De resultaten legden een flagrante discrepantie bloot: Ongeveer 4,5 miljard jaar geleden was de kosmische stervormingssnelheid ruwweg 2,5 keer hoger dan vandaag, maar de dichtheid van neutraal atomair waterstof was slechts ongeveer 1,4 keer hoger. Met andere woorden, de stervorming is ingestort zonder een vergelijkbare verdwijning van het HI-reservoir van het heelal. De bevindingen suggereren dat het snel uitputten van neutraal waterstof op zichzelf de achteruitgang niet kan verklaren.

In plaats daarvan stellen de onderzoekers voor dat het echte probleem kan liggen in hoe gas door de baryoncyclus beweegt, niet in hoeveel HI er in totaal bestaat. Naarmate gasstromen uit het kosmische web verzwakken en gasdichtheden dalen, kunnen sterrenstelsels minder efficiënt worden in het omzetten van HI in moleculair waterstof - de dichte wolken waar sterren daadwerkelijk ontstaan. Dus blijft het HI-reservoir stabiel terwijl het moleculaire gas dat direct de stervorming voedt, afneemt.

De implicaties reiken verder dan alleen het meten van waterstof. De bevindingen bieden een nieuwe aanwijzing waarom de stervormingsmotoren van het heelal geleidelijk haperen. Het combineren van FAST- en DESI-gegevens biedt een nieuwe observationele maatstaf voor het bestuderen van de kosmische gascyclus, de langetermijnafname van stervorming en bredere processen die sterrenstelsels vormen.

Het onderzoek werd geleid door wetenschappers van de National Astronomical Observatories of China, de Shanghai Astronomical Observatory van CAS, en Shanghai Jiao Tong University, samen met DESI-medewerkers.