Das Universum bildet heute weniger als halb so viele Sterne wie vor 4,5 Milliarden Jahren. Als Ursache galt lange, dass den Galaxien schlicht der Rohstoff ausgeht. Präzise Radiomessungen an rund 2,5 Millionen Galaxien widerlegen diese Vorstellung. Die Sternentstehung sank in diesem Zeitraum um den Faktor 2,46, der Vorrat an neutralem atomarem Wasserstoff dagegen nur um den Faktor 1,35 oder weniger. Der Engpass liegt damit offenbar nicht beim Vorrat, sondern bei seiner Verarbeitung.
Sterne entstehen aus Gas, das sich unter der eigenen Schwerkraft zusammenzieht, bis im Zentrum die Kernfusion zündet. Der Nachschub kommt aus einem Kreislauf, in dem Galaxien Material aus ihrer Umgebung aufnehmen, es zu atomarem Wasserstoff verdichten, daraus molekularen Wasserstoff bilden und schließlich Sterne formen. Jede dieser Stufen kann zum Nadelöhr werden. Bekannt ist seit Langem, dass die kosmische Sternentstehungsrate ihren Höhepunkt vor etwa zehn Milliarden Jahren erreichte und seither kontinuierlich fällt. Weniger klar war, an welcher Stelle des Kreislaufs die Bremse sitzt, denn die einzelnen Gasphasen lassen sich mit sehr unterschiedlichem Aufwand messen.
Neutraler atomarer Wasserstoff verrät sich durch eine Radiolinie bei 21 Zentimetern Wellenlänge, die aus einem sehr seltenen Übergang im Wasserstoffatom stammt. Das Signal ist so schwach, dass es sich bei einzelnen Galaxien nur in der näheren Umgebung nachweisen lässt. Für größere Entfernungen bleibt nur ein statistischer Umweg, bei dem die Spektren vieler Galaxien mit bekannter Position und bekannter Rotverschiebung übereinandergelegt werden. Das Rauschen mittelt sich dabei heraus, das schwache gemeinsame Signal bleibt stehen. Genau dieses Verfahren wurde nun in einem Umfang eingesetzt, der bisherige Messungen deutlich übertrifft.
Die Beobachtungen stammen vom Radioteleskop FAST in China, dessen Schüssel mit 500 Metern Durchmesser in einer natürlichen Karstsenke liegt und zu den empfindlichsten Instrumenten für die 21-Zentimeter-Linie zählt. Die nötigen Positionen und Entfernungen lieferte das Durchmusterungsprojekt Dark Energy Spectroscopic Instrument, das Spektren von Millionen Galaxien aufgenommen hat. Kombiniert wurden Daten für rund 2,5 Millionen Galaxien über etwa 12.000 Quadratgrad Himmelsfläche, was fast einem Drittel des Himmels entspricht. Die Ergebnisse erschienen am 1. September 2026 als Untersuchung zur Entwicklung des kosmischen Wasserstoffs in Nature Astronomy.
Der Messbereich reicht bis zu einer Rotverschiebung von 0,41, entspricht also den vergangenen rund 4,5 Milliarden Jahren. Entscheidend für die Belastbarkeit ist dabei die Korrektur systematischer Effekte, denn beim Überlagern von Spektren können Auswahleffekte, Störstrahlung und Ungenauigkeiten in den Entfernungen das Ergebnis verzerren. Das Team modellierte diese Einflüsse vorwärts und rechnete sie bewusst konservativ heraus. Der Rohbefund ergibt eine Abnahme der Wasserstoffdichte um den Faktor 1,35 mit einer Unsicherheit von 0,10, nach den Korrekturen bleibt eine Abnahme um den Faktor 1,12. Beide Werte liegen weit unter dem Rückgang der Sternentstehung. Die vollständige Rechnung ist zusätzlich als Preprint zur Entwicklung der kosmischen Wasserstoffdichte zugänglich.
Die Diskrepanz ist der eigentliche Befund. Wäre der Rückgang der Sternentstehung schlicht eine Folge schwindenden Rohstoffs, müssten beide Kurven parallel fallen. Sie tun es nicht. Zusätzlich zeigt die Auswertung, dass sich der mittlere Gasanteil bei gleicher Sternmasse über den gesamten Zeitraum um weniger als 0,2 Dex verändert. Das bedeutet, dass die schwache Entwicklung nicht auf eine bestimmte Galaxienklasse beschränkt ist, sondern quer durch die Population auftritt. Große wie kleine Galaxien halten ihren atomaren Vorrat also weitgehend, während sie immer weniger Sterne hervorbringen.
Aus diesem Ergebnis folgt eine Verschiebung der Fragestellung. Nicht die Menge des Rohstoffs entscheidet, sondern die Umwandlung von atomarem in molekularen Wasserstoff, denn nur die dichten Molekülwolken bringen tatsächlich Sterne hervor. Die Dichte des molekularen Gases fällt bekanntlich deutlich stärker und folgt der Sternentstehung viel enger. Als Ursache für diese sinkende Umwandlungsrate kommt in Betracht, dass die mittlere Gasdichte im Kosmos durch die Ausdehnung des Universums abnimmt und Gas sich dadurch schwerer verdichtet. Wie schwierig sich Wasserstoffvorräte einzelnen Objekten zuordnen lassen, zeigt auch der Fall einer dunklen Galaxie ohne sichtbare Sterne, die reichlich Gas enthält und dennoch kaum Sterne bildet.
Neben der sinkenden Dichte werden mehrere Mechanismen diskutiert. Energie aus aktiven Schwarzen Löchern und aus Supernovae kann Gas aufheizen oder aus einer Galaxie hinaustreiben, sodass es für die Sternbildung ausfällt, ohne aus der Bilanz zu verschwinden. Ebenso spielt eine Rolle, wo sich das Gas befindet, denn ein ausgedehnter atomarer Halo trägt kaum zur Sternentstehung bei, während dieselbe Menge im Zentrum einer Scheibe erhebliche Wirkung hätte. Die neue Messung erfasst die Gesamtmenge, nicht ihre Verteilung innerhalb der Galaxien, und kann zwischen diesen Möglichkeiten deshalb nicht unterscheiden.
Ihr Wert liegt vor allem darin, eine harte Vorgabe für Modelle zu liefern. Simulationen der Galaxienentwicklung müssen nun gleichzeitig einen starken Rückgang der Sternentstehung und einen nahezu konstanten atomaren Vorrat reproduzieren. Modelle, die den Rückgang über den Verbrauch des Rohstoffs erklären, scheitern an dieser Bedingung. Solche Prüfsteine sind selten, weil sie belastbare Messungen über große Zeiträume und große Himmelsflächen voraussetzen. Denselben Effekt haben großflächige optische Durchmusterungen, etwa als das erste Rubin-Bild einen extrem langen Sternenstrom zeigte.
Die Reihe endet bei einer Rotverschiebung von 0,41 und deckt damit weniger als das jüngste Drittel der kosmischen Geschichte ab. Für die Zeit um den Höhepunkt der Sternentstehung vor rund zehn Milliarden Jahren liegen keine vergleichbar präzisen Werte vor, weil das 21-Zentimeter-Signal mit der Entfernung rasch unter die Nachweisgrenze fällt. Ob die Entkopplung von Vorrat und Sternbildung auch damals bestand oder ob sie ein Merkmal der jüngeren Entwicklung ist, bleibt deshalb offen. Instrumente wie das im Aufbau befindliche Square Kilometre Array sind darauf ausgelegt, genau diese Lücke zu schließen.
Auch die statistische Natur des Verfahrens setzt Grenzen. Überlagerte Spektren liefern Mittelwerte, keine Aussagen über einzelne Objekte, und Mittelwerte können unterschiedliche Verteilungen verdecken. Denkbar wäre, dass ein Teil der Galaxien sein Gas fast vollständig behält, während ein anderer es verliert, ohne dass sich der Mittelwert stark ändert. Die Auswertung nach Sternmasse spricht gegen ein solches Szenario, schließt es aber nicht vollständig aus. Belastbare Antworten setzen Beobachtungen voraus, die den Wasserstoff nicht nur summieren, sondern innerhalb einzelner Galaxien räumlich auflösen.
Nature Astronomy, Weak evolution of cosmic atomic hydrogen over the past 4.5 billion years; doi:10.1038/s41550-026-02965-9