Heelal heeft genoeg waterstof, maar sterrenvorming valt toch stil

Sterrenstelsels produceren steeds minder nieuwe sterren. Het tempo van sterrenvorming in het heelal is de afgelopen 4,5 miljard jaar met meer dan de helft gedaald. Toch blijkt de belangrijkste brandstof daarvoor, neutraal waterstofgas, nauwelijks te zijn geslonken. Die onverwachte mismatch zetten astronomen nu zwart op wit, dankzij een combinatie van de Chinese radiotelescoop FAST en een enorme catalogus van sterrenstelsels van het Amerikaanse DESI-project.

Twee keer zoveel sterren, amper minder gas

Een internationaal team onder leiding van de Chinese Academie van Wetenschappen onderzocht bijna 2,5 miljoen sterrenstelsels, verspreid over ongeveer een derde van de hemel. De onderzoekers maten hoeveel neutraal atomair waterstof (HI) er in die stelsels zit: het gas dat de grondstof vormt voor nieuwe sterren. De uitkomst, gepubliceerd op 1 september in het vakblad Nature Astronomy, is opmerkelijk. Ruim 4 miljard jaar geleden lag het tempo van sterrenvorming in het heelal ongeveer 2,5 keer hoger dan tegenwoordig. De hoeveelheid HI-gas was in diezelfde periode echter maar 1,4 keer groter dan nu. Met andere woorden: het gas is er nog grotendeels, maar sterren worden er steeds minder van gemaakt.

Zwak signaal, slimme truc

Neutraal waterstof is lastig te meten. Het gas zendt een extreem zwakke radiogolf uit met een golflengte van 21 centimeter, een signaal dat in verre sterrenstelsels vaak wegzakt in de ruis van de telescoop. Diepe metingen van individuele stelsels zijn wel gevoelig genoeg, maar bestrijken te weinig van de hemel voor een betrouwbaar totaalbeeld. Grootschalige surveys dekken juist een groot gebied, maar missen de gevoeligheid om het zwakke signaal op te vangen.

Om dit probleem te omzeilen gebruikten de onderzoekers een techniek die bekendstaat als spectrale stacking. Met de nauwkeurige roodverschuiving van elk afzonderlijk sterrenstelsel uit de DESI-catalogus, het meetinstrument dat oorspronkelijk is gebouwd om donkere energie te bestuderen, lijnden ze de zwakke radiosignalen van miljoenen stelsels precies op elkaar uit. Door al die signalen op te tellen kwam een gemiddeld waterstofsignaal tevoorschijn dat ver boven de ruis uitstak. Zo kregen de wetenschappers, ondanks de beperkte signaal-ruisverhouding van individuele metingen, toch een statistisch solide beeld van hoeveel waterstofgas er door de kosmische tijd heen aanwezig was.

De vraag verschuift naar moleculair gas

De bevindingen zetten een gangbare aanname op losse schroeven. Lange tijd gingen astronomen ervan uit dat sterrenstelsels simpelweg door hun voorraad koud gas heen raken, en dat daardoor minder sterren ontstaan. Als dat de hoofdverklaring was, zou de hoeveelheid HI-gas ongeveer even hard moeten zijn gedaald als de sterrenvorming zelf. Dat gebeurt niet.

Sterren ontstaan overigens niet rechtstreeks uit atomair waterstof, maar uit veel dichtere wolken moleculaire waterstof. Atomair waterstof vormt de tussenstap tussen de grote gasvoorraad van een sterrenstelsel en het moleculaire gas dat uiteindelijk instort tot sterren. Volgens de onderzoekers ligt de verklaring daarom mogelijk niet in een tekort aan gas, maar in de manier waarop dat gas door de zogeheten baryonencyclus stroomt: het voortdurende verkeer van gas tussen de kosmische omgeving, sterrenstelsels en sterren. Als de aanvoer van vers gas uit de omringende ruimte afneemt en de gasdichtheid daalt, worden sterrenstelsels mogelijk minder efficiënt in het omzetten van atomair naar moleculair waterstof, ook al blijft de totale HI-voorraad grotendeels intact.

De combinatie van FAST en DESI levert daarmee een nieuw ijkpunt op voor onderzoek naar de langzame teloorgang van sterrenvorming in het heelal. Vervolgonderzoek moet uitwijzen of de omzetting naar moleculair gas inderdaad de ontbrekende schakel is.