Warum entstehen weniger Sterne, obwohl dem Universum der Wasserstoff nicht ausgeht?

Im Universum werden heute deutlich weniger neue Sterne geboren als noch vor einigen Milliarden Jahren. Warum entstehen weniger Sterne, obwohl einer ihrer wichtigsten Rohstoffe weiterhin reichlich vorhanden ist? Neue Messungen liefern darauf eine überraschende Antwort: An neutralem atomarem Wasserstoff mangelt es offenbar nicht.

Ein internationales Team unter Leitung von Wissenschaftlern der Chinese Academy of Sciences (CAS) hat die Entwicklung dieses Wasserstoffvorrats über rund 4,5 Milliarden Jahre verfolgt. In diesem Zeitraum sank die kosmische Sternentstehungsrate auf weniger als die Hälfte. Die Menge an neutralem atomarem Wasserstoff nahm dagegen nur vergleichsweise wenig ab, wie die Studie zeigt.

Warum entstehen weniger Sterne trotz reichlich Wasserstoff?

Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstanden im Universum ungefähr 2,5-mal so viele Sterne wie heute. Die gemessene Dichte des neutralen atomaren Wasserstoffs, kurz HI, lag damals jedoch nur etwa 1,4-mal höher. Beide Größen entwickelten sich damit sehr unterschiedlich.

Das widerspricht einer naheliegenden Erklärung für den Rückgang der Sternentstehung. Galaxien könnten ihren Vorrat an kaltem Gas im Laufe der Zeit schlicht verbraucht haben. Wäre das der wichtigste Grund, müsste allerdings auch der Wasserstoffvorrat ähnlich stark geschrumpft sein wie die Sternentstehungsrate.

Wasserstoff verschwindet überraschend langsam

Neutraler atomarer Wasserstoff gehört zu den wichtigsten Gasreservoirs in Galaxien. Astronomen können ihn anhand seiner charakteristischen Radiostrahlung mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern nachweisen. Bei weit entfernten Galaxien ist dieses Signal allerdings äußerst schwach und geht leicht im Hintergrundrauschen unter.

Für ihre Untersuchung kombinierten die Wissenschaftler deshalb Beobachtungen des chinesischen Radioteleskops FAST mit Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument, kurz DESI. In die Analyse flossen rund 2,5 Millionen Galaxien ein, verteilt über fast ein Drittel des Himmels. FAST gehört zu den empfindlichsten Radioteleskopen der Welt.

Millionen schwache Signale werden gemeinsam sichtbar

Einzelne weit entfernte Galaxien senden meist zu wenig 21-Zentimeter-Strahlung aus, um ihren Wasserstoff direkt zuverlässig zu messen. Das Team bündelte deshalb die Radiosignale vieler Galaxien. Ihre durch DESI bekannten Rotverschiebungen erlaubten es, die Signale passend auszurichten und anschließend zu überlagern.

Durch dieses sogenannte Stacking trat das gemeinsame Wasserstoffsignal aus dem Rauschen hervor. So ließ sich die durchschnittliche Menge an HI für unterschiedliche Entfernungen und damit für verschiedene Epochen der kosmischen Geschichte bestimmen. Die sehr große Zahl untersuchter Galaxien verbesserte dabei die statistische Genauigkeit.

Sterne brauchen dichteres Gas als HI

Der scheinbare Widerspruch löst sich teilweise auf, wenn man betrachtet, aus welchem Material Sterne tatsächlich entstehen. Neutraler atomarer Wasserstoff ist zwar ein wichtiger Vorrat. Neue Sterne bilden sich aber vor allem in kalten, dichten Wolken aus molekularem Wasserstoff.

Dazwischen liegt ein entscheidender Umwandlungsschritt. Das atomare Gas muss ausreichend dicht und kalt werden, damit sich Moleküle bilden können. Erst daraus entstehen die Gaswolken, in denen die Schwerkraft Material verdichtet und schließlich neue Sterne zündet.

Galaxien wandeln ihren Rohstoff offenbar schlechter um

Damit verändert sich die Frage hinter dem Rückgang der Sternentstehung. Entscheidend ist möglicherweise weniger, wie viel Wasserstoff insgesamt vorhanden ist. Wichtiger könnte sein, wie effizient Galaxien dieses Gas in molekularen Wasserstoff und anschließend in Sterne verwandeln.

Die Autoren verweisen dabei auf den sogenannten baryonischen Kreislauf. Gas strömt aus der Umgebung in Galaxien, verändert dort seinen Zustand, bildet teilweise Sterne und kann durch Prozesse innerhalb der Galaxien wieder hinausbefördert werden. Veränderungen dieser Gasströme könnten erklären, warum große HI-Vorräte erhalten bleiben.

Schwächere Gaszufuhr bremst Sternfabriken zusätzlich

Mit zunehmendem Alter des Universums könnte weniger frisches Gas aus dem kosmischen Netz in Galaxien gelangen. Gleichzeitig können geringere Gasdichten die Bildung von molekularem Wasserstoff erschweren. Das Reservoir an atomarem Wasserstoff bleibt dann relativ groß, während der unmittelbar für neue Sterne verfügbare Brennstoff zurückgeht.

Die Messungen verschieben damit die Suche nach der Ursache. Ein einfacher Mangel an neutralem Wasserstoff reicht nach Angaben der Forscher nicht aus, um den starken Einbruch der Sternentstehung zu erklären. Die entscheidenden Veränderungen müssen vielmehr auf dem Weg zwischen dem großen Wasserstoffvorrat und den dichten molekularen Gaswolken liegen.

FAST und DESI verfolgen den kosmischen Gasfluss genauer

Die Kombination aus FAST und DESI erlaubt erstmals eine besonders präzise Messung der kosmischen HI-Entwicklung über diesen Zeitraum. FAST liefert die empfindlichen Radiosignale des Wasserstoffs. DESI steuert genaue Entfernungsinformationen für Millionen Galaxien bei.

Damit lässt sich beobachten, wie sich ein wichtiger Bestandteil des kosmischen Gasvorrats über Milliarden Jahre verändert hat. Während die Menge an neutralem Wasserstoff nur moderat sank, brach die Produktion neuer Sterne wesentlich stärker ein. Die großen Sternfabriken des Universums verfügen also weiterhin über Rohstoff – können ihn aber offenbar immer schlechter in das Material verwandeln, aus dem neue Sterne entstehen.

Kurz zusammengefasst:

Vor rund 4,5 Milliarden Jahren entstanden im Universum etwa 2,5-mal so viele Sterne wie heute, obwohl der Vorrat an neutralem Wasserstoff nur moderat abnahm.
Neue Sterne entstehen nicht direkt aus atomarem Wasserstoff, sondern vor allem aus dichtem molekularem Wasserstoff in kalten Gaswolken.
Der Rückgang der Sternentstehung liegt daher wahrscheinlich weniger am fehlenden Rohstoff als daran, dass Galaxien ihn schlechter in sternbildendes Gas umwandeln.

Übrigens: Während heute immer weniger neue Sterne entstehen, verrät ein extrem alter und chemisch ursprünglicher Stern, wie die ersten Sterngenerationen aussahen. Mehr dazu in unserem Artikel.