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Warum entstehen weniger Sterne trotz stabilem Wasserstoffvorrat?
Rätsel um die sinkende Sternengeburtenrate: In den vergangenen 4,5 Milliarden Jahren ist die kosmische Sternentstehungsrate um mehr als die Hälfte gefallen. Der Vorrat an neutralem atomarem Wasserstoff hat dagegen nur wenig abgenommen. Neue Messungen an rund 2,5 Millionen Galaxien sprechen daher gegen einen einfachen Mangel dieses Gasreservoirs als Hauptursache.
Shanghai (China). Sterne entstehen aus kaltem Gas, doch dieser Rohstoff durchläuft mehrere Stufen. Neutraler atomarer Wasserstoff, kurz H I, bildet ein großes Reservoir in und um Galaxien. Erst wenn sich Gas weiter verdichtet und vor allem molekularer Wasserstoff entsteht, kann es effizient neue Sterne bilden. Wie stark der kosmische H-I-Vorrat in jüngerer Zeit tatsächlich geschrumpft ist, ließ sich bisher nur schwer messen.
Forscher des Shanghai Astronomical Observatory (SHAO) um Hong Guo haben diese Entwicklung nun über die vergangenen 4,5 Milliarden Jahre verfolgt. Ihr Ergebnis stellt eine naheliegende Erklärung für die sinkende Sternentstehung infrage: Der atomare Gasvorrat nahm deutlich schwächer ab als die Rate, mit der im Kosmos neue Sterne entstanden.
Für die Analyse kombinierte das Team Daten des Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) mit optischen Rotverschiebungen des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Die Stichprobe umfasst 2.473.945 Galaxien in einem Himmelsgebiet von rund 12.000 Quadratgrad. Wegen störender Radiofrequenzen werteten die Forscher vier Rotverschiebungsintervalle zwischen z = 0 und 0,41 aus.
Der neutrale Wasserstoff verrät sich durch seine 21-Zentimeter-Radiolinie. Bei fernen Galaxien ist dieses Signal meist zu schwach für eine einzelne sichere Messung. Die Forscher ordneten deshalb die Radiospektren mithilfe der präzisen Galaxien-Rotverschiebungen an und stapelten sehr viele Signale. So konnten sie den mittleren H-I-Gehalt in mehreren kosmischen Zeitepochen bestimmen.
Die Messungen zeigen einen deutlichen Gegensatz. Die kosmische Sternentstehungsratendichte sank über 4,5 Milliarden Jahre um den Faktor 2,46. Die gemessene Dichte des neutralen atomaren Wasserstoffs nahm im Rohwert dagegen nur um den Faktor 1,35 ± 0,10 ab. Nach konservativen systematischen Korrekturen ergibt sich sogar nur ein Rückgang um den Faktor 1,12 ± 0,10.
Auch innerhalb der Galaxienpopulation bleibt die Entwicklung schwach. Bei gleicher Sternmasse veränderte sich der durchschnittliche H-I-Gasanteil um weniger als 0,2 dex. Damit ist der geringe Rückgang nicht bloß das Ergebnis einer Verschiebung zwischen verschiedenen Galaxientypen, sondern zeigt sich über weite Teile der untersuchten Population.
Eine schnelle Erschöpfung des atomaren Wasserstoffs kann den Einbruch der Sternentstehungsrate damit nach den Daten nicht erklären. Das ist wichtig, weil H I im kosmischen Gaskreislauf zwischen dem großräumigen Nachschub aus dem intergalaktischen Raum und dem dichteren, unmittelbar sternbildenden Gas steht.
Die Autoren richten den Blick deshalb auf die Umwandlung und den Nachschub des Gases. Frühere Messungen zeigen, dass sich die Dichte des molekularen Gases stärker zusammen mit der Sternentstehung verändert. Die neue H-I-Bilanz legt nahe, dass im späten Universum weniger Gas in die molekulare und schließlich sternbildende Phase gelangt, obwohl das atomare Reservoir relativ stabil bleibt.
Als mögliche Ursachen diskutiert die Studie einen nachlassenden kosmischen Gasnachschub und veränderte Bedingungen für die Umwandlung von atomarem in molekulares Gas. Auch geringerer Gasdruck, schwächere Abschirmung, Turbulenz oder Rückkopplung durch Sterne und aktive Galaxienkerne könnten den Durchsatz im baryonischen Kreislauf bremsen. Diese Prozesse wurden mit der neuen Messung jedoch nicht einzeln als Ursache nachgewiesen.