Die Rate der Sternentstehung im Universum ist in den letzten 4,5 Milliarden Jahren um etwa 59 Prozent gesunken. Gleichzeitig hat sich der Vorrat an neutralem atomarem Wasserstoff (H I) nur um 11 bis 26 Prozent verringert. Diese Diskrepanz deutet darauf hin, dass der Rückgang der Sternentstehung nicht primär auf einen Mangel an Rohmaterial zurückzuführen ist. Stattdessen liegt das Rätsel darin, wie Galaxien das vorhandene Gas in molekulare Wolken umwandeln, aus denen Sterne entstehen.
Unterschiedliche Entwicklung von Sternentstehung und Wasserstoffvorrat
Eine neue Studie, die fast 2,5 Millionen Galaxien über einen Zeitraum von 4,5 Milliarden Jahren untersucht hat, zeigt, dass die Dichte der Sternentstehung im Universum um den Faktor 2,46 zurückgegangen ist. Dies entspricht einem Rückgang von etwa 59 Prozent. Im Gegensatz dazu sank die Dichte des neutralen atomaren Wasserstoffs nur um den Faktor 1,35, was einem Verlust von etwa 26 Prozent entspricht. Nach Berücksichtigung systematischer Effekte reduziert sich dieser Wert auf 11 Prozent.
Diese Ergebnisse widerlegen die Annahme, dass Galaxien ihren atomaren Wasserstoffvorrat schnell erschöpft oder verloren haben. Stattdessen bleibt die Frage offen, warum weniger Wasserstoff in die kalte molekulare Phase übergeht, aus der Sterne entstehen. Atomarer Wasserstoff ist zwar der Rohstoff, aber nicht der Brennstoff, der direkt in den Sternentstehungsprozess einfließt.
Die Rolle von Wasserstoff in Galaxien
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und kann in verschiedenen physikalischen Zuständen vorliegen: ionisiert, neutral atomar oder molekular. Sterne entstehen in dichten molekularen Wolken, in denen Wasserstoffmoleküle (H2) vorhanden sind. Galaxien können große Mengen an neutralem atomarem Wasserstoff besitzen, ohne dass dieser in kompakte molekulare Strukturen umgewandelt wird, die für die Sternentstehung notwendig sind.
Frühere Studien haben gezeigt, dass die Lage und Konzentration von atomarem Gas innerhalb von Galaxien eine größere Rolle spielt als die Gesamtmenge des Gases. Neutraler Wasserstoff in der Nähe der stellaren Scheibe ist für die aktuelle Sternentstehung relevanter als diffuses Gas, das weit außerhalb verteilt ist.
Die neue Studie untersucht diese Zusammenhänge auf kosmischer Ebene. Sie zeigt, dass der Vorrat an atomarem Wasserstoff im Universum nicht im gleichen Maße zurückgegangen ist wie die Rate der Sternentstehung.
Messung des Wasserstoffvorrats mit FAST
Neutraler Wasserstoff emittiert ein schwaches Radiosignal mit einer Wellenlänge von etwa 21 Zentimetern. Dieses Signal entsteht, wenn sich die Spin-Konfiguration von Proton und Elektron ändert. Das Team nutzte Beobachtungen des Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) in China, insbesondere Daten aus der FAST All Sky H I survey (FASHI).
Um die genauen Positionen der Galaxien zu bestimmen, kombinierten die Forscher die FAST-Daten mit optischen Spektren aus der Bright Galaxy Survey des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Die Studie umfasst 2.473.945 Galaxien über etwa 12.000 Quadratgrad am Himmel.
Da das 21-Zentimeter-Signal einzelner Galaxien in größerer Entfernung zu schwach für eine direkte Detektion ist, verwendeten die Forscher die Methode der Spektren-Stapelung. Dabei wurden viele Radiospektren in einen gemeinsamen Ruherahmen verschoben und kombiniert, um das gemeinsame Wasserstoffsignal zu verstärken.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Verhältnis von atomarem Wasserstoff zur stellaren Masse mit zunehmender Galaxienmasse abnimmt. Massive Galaxien enthalten relativ weniger atomaren Wasserstoff. Über den untersuchten Zeitraum von 4,5 Milliarden Jahren war die Veränderung dieses Verhältnisses jedoch geringer als 0,2 dex.
Die Studie liefert wichtige Erkenntnisse über die Entwicklung des Universums und die Prozesse, die die Sternentstehung beeinflussen. Sie zeigt, dass der Rückgang der Sternentstehung nicht einfach auf einen Mangel an Rohmaterial zurückzuführen ist, sondern auf komplexe Mechanismen bei der Umwandlung von atomarem in molekularen Wasserstoff.
- Quelle: Nature Astronomy
- Quelle: SpaceDaily