Sternentstehung um 60 Prozent gesunken — Wasserstoffvorrat des Universums fast unverändert

Die Sternentstehung im Kosmos ist in den letzten 4,5 Milliarden Jahren um mehr als die Hälfte zurückgegangen – und die bisherige Haupterklärung dafür ist gerade zerfallen. Eine Durchmusterung von 2,5 Millionen Galaxien – die das empfindlichste Radioteleskop der Welt mit der größten je erstellten optischen Himmelsdurchmusterung kombiniert – ergab, dass das Universum noch immer den Großteil des neutralen Wasserstoffs besitzt, den es auf dem Höhepunkt seiner Sternentstehung hatte. Was auch immer die kosmischen Kinderstuben zum Erliegen bringt: Es ist kein Mangel an Rohmaterial.

Die Veröffentlichung in Nature Astronomy stammt von Forschenden der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und ihren internationalen Partnern in der DESI-Kollaboration. Es handelt sich um die größte direkte Messung der kosmischen Wasserstoffreserven, die je durchgeführt wurde. Sie löst eine jahrzehntealte Frage nach dem Altern des Universums – und die Antwort ist nicht das, was die meisten Astronomen erwartet hatten.

Das Ausmaß des Rückgangs ist eklatant. Auf seinem Höhepunkt vor rund zehn Milliarden Jahren produzierte das Universum etwa zehnmal so viele Sterne wie heute. Vor viereinhalb Milliarden Jahren – als sich die Erde gerade formte – lag die kosmische Sternentstehungsrate noch 2,5-mal höher als heute. Setzt sich dieser Trend fort, steuert das Universum langsam und unumkehrbar auf einen Himmel mit immer weniger neuen Sonnen zu. Die Frage war immer: Warum?

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Wie der Wasserstoffvorrat des Universums gemessen wurde

Die dominierende Theorie war intuitiv: Galaxien altern, ihre Gasreserven erschöpfen sich. Weniger Treibstoff bedeutet weniger Sterne. Um diese Hypothese im Maßstab des beobachtbaren Universums zu prüfen, mussten die Forschenden neutralen atomaren Wasserstoff – die häufigste Form von Wasserstoff im interstellaren Raum – über Milliarden von Lichtjahren hinweg gleichzeitig messen. Das war bisher in dieser Präzision nicht möglich.

Das Team kombinierte zwei Instrumente, die die Messung erstmals handhabbar machen. FAST – das Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope in der chinesischen Provinz Guizhou, derzeit das größte Einzelschüssel-Radioteleskop der Welt – detektiert die schwache 21-Zentimeter-Radioemission, die neutraler Wasserstoff natürlicherweise aussendet. DESI, das Dark Energy Spectroscopic Instrument in Arizona, lieferte präzise optische Rotverschiebungen für die 2,5 Millionen Galaxien der Studie, bestimmte ihre Entfernungen und damit die kosmische Epoche, in der jede einzelne beobachtet wurde.

Die Technik, genannt HI-Spektralstapelung, löste die zentrale Herausforderung: Keine einzelne ferne Galaxie sendet ein stark genuges Wasserstoffsignal aus, um in kosmologischen Entfernungen individuell nachgewiesen zu werden. Indem das Team Millionen schwacher Radiospektren anhand der von DESI gelieferten genauen Galaxien-Rotverschiebungen ausrichtete und stapelte, verwandelte es Rauschen in statistisches Signal – vergleichbar damit, gleichzeitig Millionen leiser Gespräche zu belauschen, anstatt das Flüstern eines Einzelnen quer durch einen Raum zu isolieren. Die resultierende Durchmusterung umfasste etwa ein Drittel des gesamten Himmels und reichte 4,5 Milliarden Jahre in die kosmische Zeit zurück. Nichts in dieser Größenordnung und Empfindlichkeit wurde zuvor versucht.

Was die Zahlen tatsächlich zeigen

Die Ergebnisse waren eindeutig – und unbequem für das Standardmodell. Die Dichte des neutralen Wasserstoffs im untersuchten Volumen ist in denselben 4,5 Milliarden Jahren nur um den Faktor 1,4 gesunken, während die Sternentstehungsrate um den Faktor 2,5 fiel. In Prozentzahlen: Die Sternentstehung ging um etwa 60 Prozent zurück. Der Wasserstoffvorrat sank um etwa 29 Prozent.

Die Lücke zwischen diesen beiden Zahlen ist das Problem für die bestehende Theorie. Wäre die Wasserstoffverarmung der Haupttreiber des Sternentstehungseinbruchs, würden die beiden Kurven einander eng folgen. Das tun sie nicht. Die Diskrepanz bedeutet, dass Milliarden Kubiklichtjahre neutralen Wasserstoffs ungenutzt in den Räumen zwischen und innerhalb von Galaxien liegen – prinzipiell verfügbar, um Sterne zu bilden, aber nicht genutzt. Das Universum wandelt seinen Wasserstoff nicht schnell genug in Sterne um, um den beobachteten Rückgang zu erklären, und das Defizit bei der Umwandlung kann nicht allein durch weniger verfügbaren Wasserstoff erklärt werden.

Der Vergleich über die kosmische Zeit hinweg unterstreicht den Punkt. In der Epoche vor 4,5 Milliarden Jahren, die den tiefsten Messungen der Studie entspricht, war das Verhältnis von Sternentstehungsaktivität zu verfügbarem Wasserstoff messbar höher als heute. Etwas hat sich verändert in der Effizienz, mit der Gas in Sterne umgewandelt wird – und dieses Etwas ist nicht die Menge des vorhandenen Rohmaterials.

Was sonst die Sterne stoppen könnte

Die Arbeit identifiziert, wo der Engpass am wahrscheinlichsten liegt. Neutraler atomarer Wasserstoff kollabiert nicht direkt zu Sternen. Er muss sich zunächst in molekularen Wasserstoff umwandeln – die dichtere, kältere Phase, die unter Gravitation tatsächlich zu Sternentstehungsgebieten kondensieren kann. Die Effizienz dieser Umwandlung, und nicht das Angebot an atomarem Wasserstoff stromaufwärts, ist nun der Hauptverdächtige dafür, die Sternfabriken des Universums auszubremsen.

Was kontrolliert diese Umwandlungseffizienz? Mehrere Mechanismen kommen in Frage. Rückkopplungen von supermassereichen Schwarzen Löchern in galaktischen Zentren – energetische Jets und Winde, die umgebendes Gas aufheizen – können verhindern, dass atomarer Wasserstoff in die für die Sternentstehung nötige molekulare Phase abkühlt. Strahlung früherer Sterngenerationen kann Gas schneller ionisieren, als die Schwerkraft es zusammenziehen kann. Die Eigenschaften des zirkumgalaktischen Mediums, der diffusen Gas halos um Galaxien, könnten sich im Laufe der kosmischen Zeit so verschoben haben, dass die Rate, mit der atomarer Wasserstoff in sternbildende Wolken gelangt, reduziert ist. Kein einzelner Mechanismus wurde als dominant bestätigt. Der Beitrag der Studie besteht darin, mit beispielloser Sicherheit und im großen Maßstab zu belegen, dass keiner von ihnen funktioniert, indem er den Wasserstoffvorrat selbst erschöpft.

Was diese Studie nicht klärt

Die Messung ist ein Populationsergebnis, gemittelt über Millionen von Galaxien, keine Diagnose der Entwicklung einzelner Galaxien. Die Stapelungsmethode liefert statistisch robuste kosmische Mittelwerte; sie kann nicht isolieren, was innerhalb bestimmter Galaxientypen, Massenbereiche oder Umgebungen geschieht. Ein galaxienweises Bild davon, warum die Sternentstehung unterdrückt wird, bleibt mit dieser Technik unerreichbar.

Grundsätzlicher: Die Studie maß atomaren Wasserstoff – die HI-Phase. Was letztlich die Sternentstehung antreibt, ist molekularer Wasserstoff, die H₂-Phase, die in kosmologischen Entfernungen weitaus schwieriger nachzuweisen ist. Die Kartierung von molekularem Wasserstoff über dasselbe Volumen wie diese Durchmusterung wäre eine weitaus anspruchsvollere Beobachtungsaufgabe und ist in diesem Maßstab technisch noch nicht machbar. Der Engpass zwischen atomarem und molekularem Gas, den diese Arbeit als wahrscheinlichen Übeltäter identifiziert, bleibt in dem Maßstab ungemessen, der zur Klärung der Frage nötig wäre.

Die Autoren weisen darauf hin, dass wahrscheinlich mehrere physikalische Prozesse zusammenwirken, um den beobachteten Rückgang der Sternentstehung in verschiedenen Umgebungen und kosmischen Epochen zu erzeugen. Jede vollständige Theorie wird nicht nur diese Wasserstoffmessungen berücksichtigen müssen, sondern auch Beobachtungen einzelner Galaxienentwicklungsgeschichten, Sternentstehungsumgebungen und die Rolle galaktischer Gasströme.

Häufige Fragen zum kosmischen Rückgang der Sternentstehung

Warum ist die Sternentstehungsrate für die Zukunft des Universums wichtig?

Sterne erschaffen die schweren Elemente, aus denen Planeten, Chemie und Leben bestehen. Sinkt die Rate der Bildung neuer Sterne, sinkt auch die Fähigkeit des Universums, neue Planetensysteme zu bauen und die dafür benötigten Elemente nachzuliefern. Der in dieser Studie gemessene Trend repräsentiert die empirische Signatur eines Kosmos im langsamen, unumkehrbaren Niedergang – der Anfang vom Ende der Sternenepoche.

Wird unsere Sonne durch diese kosmische Verlangsamung beeinflusst?

Nein. Die Sonne entstand vor 4,6 Milliarden Jahren und wird noch etwa fünf Milliarden Jahre weiterbrennen. Die Verlangsamung beschreibt die Rate, mit der neue Sternsysteme im Universum entzündet werden, nicht das Verhalten bereits gebildeter Sterne. Unser Sonnensystem ist aufgrund seines Alters von diesem Trend abgekoppelt.

Was macht FAST für diese Art von Messung unverzichtbar?

Die 500-Meter-Öffnung von FAST verleiht ihm eine Sammelfläche, die etwa 40-mal größer ist als die jedes früheren Einzelschüssel-Radioteleskops. Diese Empfindlichkeit ermöglicht es, das schwache 21-Zentimeter-Wasserstoffsignal von Galaxien in Milliarden Lichtjahren Entfernung zu detektieren. Ohne die Sammelleistung von FAST würde die Stapelungstechnik in diesen Entfernungen kein statistisch signifikantes Ergebnis liefern.

Bedeutet diese Studie, dass die ‚Treibstoffkrisen‘-Theorie der Galaxienalterung falsch ist?

Sie stellt die einfachste Version in Frage: dass ein sinkendes Angebot an atomarem Wasserstoff direkt den Rückgang der Sternentstehung antreibt. Der Wasserstoffvorrat ist bei weitem nicht schnell genug gefallen, um den beobachteten Einbruch der Sterngeburten zu erklären. Ein komplexerer Prozess – höchstwahrscheinlich die Ineffizienz, mit der dieser Wasserstoff in die für die Sternentstehung nötige molekulare Phase umgewandelt wird – scheint im Spiel zu sein.

Der nächste Schritt des Teams ist die Messung von molekularem Wasserstoff in vergleichbaren kosmischen Maßstäben – eine Aufgabe, die künftige Einrichtungen wie das Square Kilometre Array irgendwann handhabbar machen könnten. Bis dahin hat sich die folgenreichste offene Frage des Universums über seine eigene Zukunft um ein bestätigtes Paradoxon erweitert: Der Kosmos besitzt noch den größten Teil seines Wasserstoffs – und ihm gehen trotzdem die Sterne aus.

Referenz: et al., „Cosmic star formation rate decline is not driven by neutral hydrogen depletion,“ Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02965-9

Schlagwörter: cosmology, DESI, FAST telescope, neutral hydrogen, star formation

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