Warum wird es im Universum immer schwieriger, neue Sterne zu bilden? Eine gängige Erklärung lautet, dass das „Treibstoff“ für die Sternentstehung – kaltes Gas – kontinuierlich verbraucht wird, was zu einem Rückgang der Sternentstehungsaktivität führt. Die jüngste gemeinsame Beobachtung von „Chinas Himmelsauge“ (FAST) und dem Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) liefert jedoch eine überraschende Antwort: Obwohl die Sternentstehungsaktivität im Universum in den letzten 4,5 Milliarden Jahren deutlich abgenommen hat, ist der neutrale Wasserstoff, ein wichtiges Reservoir an kaltem Gas, nicht synchron erschöpft. Der „Treibstofftank“ des Universums ist noch gefüllt – das Problem könnte in der „Verarbeitung“ liegen. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden am 1. online in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
Neutraler Wasserstoff ist das entscheidende Bindeglied zwischen dem großräumigen Gaskreislauf von Galaxien und der internen Sternentstehung. Er sendet Signale über die äußerst schwache 21-Zentimeter-Radio-Spektrallinie aus. Bei weit entfernten Galaxien geht ein einzelnes Signal oft im Hintergrundrauschen unter – ähnlich wie es schwierig ist, ein Flüstern in einem lauten öffentlichen Platz zu verstehen. Daher gab es für die Entwicklung der gesamten Menge an neutralem Wasserstoff im Universum bisher kaum verlässliche Belege.
Diesmal kombinierte ein internationales Kooperationsteam, bestehend aus dem Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Shanghai Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Shanghai Jiao Tong Universität u. a., die hochempfindlichen Radio-Beobachtungen von FAST mit der großflächigen spektroskopischen Durchmusterung von DESI. Analysiert wurden etwa 2,5 Millionen Galaxien, die etwa ein Drittel des Himmels abdecken, um mit beispielloser statistischer Präzision die Entwicklung des neutralen Wasserstoffs im Universum zu verfolgen.
„Wir nutzten die Technik der Spektrum-Stapelung für neutralen Wasserstoff: Zahlreiche einzelne, nicht direkt nachweisbare schwache Signale werden präzise nach der Entfernung der Galaxien ausgerichtet und überlagert. Das ist vergleichbar damit, dass Millionen schwacher Stimmen gleichzeitig denselben Satz rufen – so konnten wir schließlich das durchschnittliche Signal aus dem Rauschen extrahieren“, erklärte Zhang Chuanpeng, Erstautor der Studie und stellvertretender Forscher am Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
Die Messergebnisse zeigen: Die Sternentstehungsrate im Universum vor 4,5 Milliarden Jahren war etwa 2,5-mal höher als heute, während die Dichte des neutralen atomaren Wasserstoffs im selben Zeitraum nur etwa 1,4-mal so hoch war wie heute. Das bedeutet: Während die Sternentstehungsaktivität „einbrach“, erschöpfte sich das Reservoir an neutralem Wasserstoff im Universum nicht synchron. „Wenn ‚Treibstoffmangel‘ die Hauptursache wäre, müssten beide im gleichen Schritt abnehmen – doch die Daten stützen diese These nicht“, sagte Guo Hong, korrespondierender Autor der Studie und Forscher am Shanghai Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
Wo liegt also das Problem? Zhang Chuanpeng erklärte: Sterne entstehen nicht direkt aus neutralem Wasserstoff. Neutraler Wasserstoff muss sich zunächst in dichtere molekulare Wasserstoffwolken umwandeln – diese Molekülwolken sind die eigentliche „Geburtsstätte“ der Sterne. Was sich im späten Universum tatsächlich deutlich verändert hat, könnte der Umwandlungsprozess von Gas sein – vom neutralen Wasserstoff über molekularen Wasserstoff bis hin zu Sternen. Mit abnehmender Gaszufuhr und sinkender Gasdichte nimmt die Effizienz der Umwandlung von neutralem zu molekularem Wasserstoff ab. Dadurch bleibt das Reservoir an neutralem Wasserstoff relativ stabil erhalten, während das molekulare Gas, das tatsächlich direkt Sterne hervorbringen kann, langsam abnimmt.
„Was wir sehen, ist nicht, dass dem Universum das Gas ausgeht, sondern dass das Gas immer schwerer zu Sternen ‚verarbeitet‘ werden kann“, so Guo Hong. Diese Entdeckung verlagert den Diskussionsschwerpunkt von der Frage „Ist das Gas erschöpft?“ hin zu „Warum kann das vorhandene Gas nicht genutzt werden?“ und liefert neue entscheidende Hinweise zum Verständnis des Rückgangs der Sternentstehung im Universum.