Die Sterne von 37 nahen Zwerggalaxien haben reichlich Sauerstoff erzeugt, doch im Schnitt stecken heute nur 10,7 Prozent davon in Gas, Sternen und Staub. Das berichtet ein Team um Kristen McQuinn von der Rutgers University im Fachjournal The Astrophysical Journal. Den Rest haben offenbar Supernova-Winde hinausgetragen, und zwar wirksamer, als viele Simulationen erwarten lassen. Wo die fehlenden Atome heute stecken, ist offen.
Je nach Galaxie bleiben zwischen knapp 4 und knapp 25 Prozent des erzeugten Sauerstoffs in den Galaxienscheiben zurück. Auch NGC 4449, deren Hubble-Aufnahme die NASA zur Studie veröffentlicht hat, bewahrt mit 16,70 Prozent nur einen kleinen Teil ihres Sauerstoffs. Gesucht haben die Forscher in den drei Reservoirs der Scheiben und den Fund mit der Menge verglichen, die die Sterne im Lauf der gesamten Galaxiengeschichte erzeugt haben müssten. Die Differenz ist also über diesen ganzen Zeitraum entstanden und beschreibt eine Bilanz, die zum Teil auf Modellen beruht. Eine NASA-Meldung zu den Hubble-Beobachtungen ordnet die Arbeit in das Projekt Galaxies Losing Oxygen via Winds ein, kurz GLOW. Das von der NASA und der National Science Foundation finanzierte Vorhaben verfolgt, wie sich der Sauerstoff auf Sterne, interstellares Gas und den Raum zwischen den Galaxien verteilt.
Weniger als sechs Megaparsec, umgerechnet knapp 20 Millionen Lichtjahre, sind die GLOW-Galaxien von der Erde entfernt. Nur in dieser Nähe kann das Hubble-Weltraumteleskop ihre einzelnen Sterne voneinander trennen, was bei den allermeisten bekannten Zwerggalaxien nicht gelingt. Ihre Sternmassen reichen von etwa drei Millionen bis drei Milliarden Sonnenmassen und decken damit einen besonderen Bereich ab. Genau hier erwarten Simulationen und Theorie, dass Supernovae einen wachsenden Teil des Sauerstoffs aus den Galaxien treiben. Ausgewählt wurden zudem gasreiche Systeme, die wenig Elemente schwerer als Helium enthalten und daher als metallarm gelten. In ihnen lässt sich die frühere Sternproduktion rekonstruieren und zugleich messen, wie viel angereichertes Material im heutigen Gas steckt.
Gezeitenkräfte benachbarter Galaxien und der Staudruck des umgebenden Gases können kleinen Galaxien zusätzlich Gas entreißen. Die Studie prüft deshalb auch, ob die Umgebung mitbestimmt, wie viel Sauerstoff ein Sternsystem am Ende behält. Insgesamt gelten die GLOW-Galaxien als Feldgalaxien, die nicht als Begleiter einer großen Galaxie unterwegs sind. Einige gehören zu Galaxiengruppen wie jener um die Spiralgalaxie M 81 oder zur Canes-Venatici-I-Gruppe. Andere liegen mehr als zwei Megaparsec von jeder bekannten Galaxie mit über einer Milliarde Sonnenmassen entfernt und sind damit weitgehend isoliert.
„Wir haben Sauerstoff also wirklich aus praktischen Gründen gewählt“, sagt GLOW-Leiterin McQuinn, die zudem an der Rutgers University als Professorin arbeitet. Am Space Telescope Science Institute in Baltimore leitet sie außerdem das Wissenschaftszentrum des Nancy Grace Roman Space Telescope. Nach Wasserstoff und Helium ist Sauerstoff das häufigste Element, er lässt sich vergleichsweise leicht nachweisen, und seine Entstehung ist gut verstanden. Damit dient er als verlässlicher Anzeiger dafür, wie sich chemische Elemente insgesamt in einer Galaxie verteilen. Fast vollständig entsteht er in Kernkollaps-Supernovae, mit denen massereiche Sterne ihr Leben beenden. Kohlenstoff stammt dagegen auch aus alternden Riesensternen und Silizium zusätzlich aus Supernovae vom Typ I.
Im Gas bestimmen die Forscher den Sauerstoffgehalt aus optischen Spektren von Sternentstehungsgebieten, in denen junge, heiße Sterne das umgebende Gas zum Leuchten bringen. Ausgewertet wird das Verhältnis zweier Linien von doppelt ionisiertem Sauerstoff, das von der Temperatur des Gases abhängt und als direkte Methode gilt. Supernovae reichern ihre Umgebung zunächst örtlich an, in Zwerggalaxien durchmischt sich das Gas aber über große Volumen. Messungen in einzelnen Sternentstehungsgebieten stehen deshalb nach Einschätzung der Autoren für das gesamte interstellare Gas einer Galaxie.
Aus Archivaufnahmen des Hubble-Teleskops erstellen die Forscher für jede Galaxie Farb-Helligkeits-Diagramme, in denen jeder aufgelöste Stern seinen Platz erhält. Passen sie Modelle der Sternentwicklung an diese Verteilung an, ergibt sich, wann eine Galaxie wie viele Sterne gebildet hat. Zugleich zeigt sich, wie sich die chemische Zusammensetzung der Sternpopulationen im Lauf der Zeit verändert hat. Gerechnet wurde mit den beiden Sternentwicklungsbibliotheken PARSEC und MIST, deren abweichende Ergebnisse als Maß für die systematische Unsicherheit dienen.
Das inzwischen stillgelegte Spitzer-Weltraumteleskop lieferte Infrarotaufnahmen bei einer Wellenlänge von 3,6 Mikrometern. Aus deren Helligkeit leiteten die Forscher mit einem angenommenen Verhältnis von Masse zu Leuchtkraft die gesamte Sternmasse ab. Aus denselben Aufnahmen bestimmten sie die Form der Sternscheibe samt ihrer Skalenlänge, dem Maß für den Helligkeitsabfall nach außen. Gezählt wurde nur Gas innerhalb des 4,4-Fachen dieser Länge, damit weit außen liegendes Gas den Sauerstoffbestand nicht überhöht.
Den neutralen Wasserstoff kartierten die bodengebundenen Radioteleskope Very Large Array und Australian Telescope Compact Array. Aus dieser Wasserstoffmasse und dem in den Spektren gemessenen Verhältnis von Sauerstoff- zu Wasserstoffatomen errechnen die Forscher die Sauerstoffmenge im Gas. Wie wenig ein großer Gasvorrat darüber verrät, wie viele Sterne daraus entstehen, zeigt auch ein FuW-Bericht über einbrechende Sternentstehung trotz reichlich vorhandenem Wasserstoff in anderen Galaxien. GLOW erfasst Gasmenge und Sternentstehungsgeschichte deshalb getrennt und gleicht beide erst in der Sauerstoffbilanz ab.
Die erwartete Sauerstoffproduktion berechneten die Autoren laut der Primärstudie aus der insgesamt gebildeten Sternmasse und einer Ausbeute von 0,010. Dieser Wert gibt an, wie viel frischer Sauerstoff je Masse entstandener Sterne aus Kernkollaps-Supernovae in metallarmer Umgebung hervorgeht. Dahinter stecken Annahmen über die Massenverteilung neu entstehender Sterne und über die Entwicklung massereicher Sterne. Eine frühere Studie hatte mit einer Ausbeute von 0,015 gerechnet, und mit diesem höheren Wert fielen die zurückgehaltenen Anteile der GLOW-Galaxien noch kleiner aus.
Für den Sauerstoff in Sternen und Sternresten nutzten die Forscher die Sternentstehungsgeschichte samt der Metallgehalte einzelner Altersgruppen. Die Zusammensetzung einzelner Sterne lässt sich in dieser Entfernung mit heutigen Teleskopen nicht spektroskopisch bestimmen. Um vom allgemeinen Metallgehalt auf Sauerstoff umzurechnen, setzten sie das Verhältnis von Sauerstoff zu Eisen wie in der Sonne an. Wegen bekannter Abweichungen bei metallarmen Sternen rechneten sie dafür eine zusätzliche Unsicherheit ein. Den Staubanteil leiteten sie aus der erwarteten Bindung von Sauerstoff an Staubkörner ab, die mit Metallgehalt und Gasdichte zunimmt. In dichterem Gas wachsen Staubkörner nämlich leichter, sodass dort mehr Sauerstoff in ihnen gebunden wird.
Zusammen ergeben die drei Reservoirs den Sauerstoff, der in den Sternkörpern und den Hauptgasscheiben verblieben ist. Die ausgedehnte Gashülle um die Galaxien gehört nicht dazu. Über die gesamte Stichprobe steckt fast der ganze verbliebene Sauerstoff im Gas, während Sterne und Staub deutlich weniger beitragen. Bei NGC 4449 entfallen 8,90 Prozentpunkte auf das Gas, 6,00 auf Sterne und Sternreste sowie 1,80 auf den Staub, bei einer Unsicherheit der Summe von knapp fünf Prozentpunkten.
Um das Mittel streuen die Einzelwerte mit einer Standardabweichung von 5,1 Prozentpunkten, und 29 der Galaxien behalten höchstens 15 Prozent ihres Sauerstoffs. Darunter sind durchweg jene Galaxien, die mehr als ein Megaparsec von einem massereichen Nachbarn entfernt liegen. Systeme in größerer Nähe zu einem solchen Nachbarn streuen dagegen auch zu höheren Werten. Die Autoren deuten das so, dass die Umgebung beeinflusst, wie viel Sauerstoff eine Galaxie zurückhält, wiederverwertet oder neu aufnimmt. Entgegen ihren Erwartungen hängt der Rückhalt nicht von der Lage einer Galaxie auf der Beziehung zwischen Sternmasse und Metallgehalt ab. Der Sauerstoffgehalt des Gases allein verrät deshalb wenig über den gesamten Sauerstoffhaushalt einer Galaxie.
„Wir wissen, dass der Sauerstoff irgendwann in der Vergangenheit in den Galaxien gewesen sein muss, also muss er hinausgeschleudert worden sein“, sagt Mitautorin Grace Telford. Nach Ansicht der Astronomin von der University of Utah braucht es dafür die Energie massereicher Sterne und von Supernova-Explosionen. Sternwinde und Supernovae blähen dabei riesige Gasblasen auf, die schließlich aus dem interstellaren Gas ausbrechen können. Durch den so entstandenen Kanal kann frisch erzeugter Sauerstoff mit heißem Gas entweichen, bevor er sich mit dem übrigen Gas vermischt.
Drei hydrodynamische Simulationen anderer Gruppen weisen den Metallgehalt getrennt nach Sternen, interstellarem Gas und Gashülle aus. Für kleine Galaxien sagen sie deutlich höhere Rückhalteanteile voraus als gemessen, obwohl sie die Beziehung zwischen Masse und Metallgehalt gut wiedergeben. Ein exakter Zahlenvergleich bleibt schwierig, weil die Rechnungen etwa andere Sauerstoffausbeuten und eine andere Ausdehnung der Gasscheibe verwenden. Auch die Obergrenze für die Masse explodierender Sterne und die Umsetzung der Sternenrückkopplung unterscheiden sich. Als robust betrachten die Autoren aber die übergeordneten Trends, und die Abweichungen könnten helfen, zwischen Rückkopplungsmodellen zu unterscheiden.
In einem vereinfachten Entwicklungsmodell der Studie entscheiden vor allem zwei Größen über den Rückhalt. Die erste beschreibt, wie viel Gas ein Wind im Verhältnis zur neu gebildeten Sternmasse mitreißt, die zweite, wie stark er mit schweren Elementen angereichert ist. Galaktische Winde, die heiß und leicht metallreicher als das interstellare Gas sind, tragen demnach bevorzugt Sauerstoff hinaus. Warme Winde regeln dagegen die Gasmenge und führen im Modell, über die kosmische Zeit gemittelt, etwa das Ein- bis Zehnfache der neuen Sternmasse ab. So können die Galaxien viel Sauerstoff verlieren und zugleich gasreich bleiben, wobei diese Werte aus dem Modell stammen und nicht für einzelne Galaxien gemessen wurden.
Ob der fehlende Sauerstoff in der ausgedehnten Gashülle um die Galaxien steckt, dem sogenannten Halo, kann die GLOW-Bilanz nicht entscheiden. Er kann die Galaxien aber auch ganz verlassen haben und nun Teil des Gases sein, das Astronomen intergalaktisches Medium nennen. Für Galaxien wie die Milchstraße hatte eine Studie aus dem Jahr 2014 ergeben, dass auch sie einen großen Teil ihres Sauerstoffs verloren haben. Ein Teil davon fand sich dort in den Gashüllen. Wie Astronomen die dünn verteilte Materie zwischen den Galaxien auf anderem Weg aufspüren, schildert der FuW-Bericht über Radioblitze als Spur der verschollenen Materie.
Gesucht wird das Gas der Halos mit dem Spektrografen COS des Hubble-Teleskops im ultravioletten Licht ferner Quasare. Durchquert dieses Licht die Gashülle einer Vordergrundgalaxie, hinterlassen deren Atome und Ionen charakteristische Absorptionslinien. Bei den nächstgelegenen Galaxien erfasst COS aber nur Ionen von Kohlenstoff und Silizium, weil die Linie von fünffach ionisiertem Sauerstoff außerhalb seines hochauflösenden Bereichs liegt. Wegen ihrer anderen Herkunft lassen sich diese Werte nur schwer in Sauerstoffmengen umrechnen. Hinzu kommen wenige Sichtlinien je Galaxie und das sehr dünne Gas um Zwerggalaxien, das an der Empfindlichkeitsgrenze des Instruments liegt. Ob niedrige Nachweisraten an den Daten oder an tatsächlich fehlenden Metallen liegen, bleibt deshalb offen.
Bei weiter entfernten Galaxien fällt die Sauerstofflinie in den Messbereich, dort blicken die Astronomen aber teils mehr als fünf Milliarden Jahre zurück. In dieser Zeit dürften sich die Gashüllen verändert haben, was den Vergleich mit heutigen Galaxien erschwert. Mit diesem Vorbehalt entsprechen die in früheren Studien in Gashüllen nachgewiesenen Mengen an fünffach ionisiertem Sauerstoff etwa 3 bis 10 Prozent der Sauerstoffproduktion der GLOW-Galaxien.
Mit dem Nancy Grace Roman Space Telescope will McQuinn in einem bereits genehmigten Programm nach noch lichtschwächeren und masseärmeren Zwerggalaxien suchen. Deren Sterne möchte sie anschließend mit Hubble und dem James-Webb-Weltraumteleskop genauer aufnehmen, damit sich ihre Entstehungsgeschichte rekonstruieren lässt. Telford nimmt mit Hubble die einzelnen massereichen Sterne ins Visier, die den Sauerstoff erzeugen und aus ihren Galaxien treiben. Dafür beobachtet sie einige der nahen GLOW-Galaxien besonders detailliert, um zu klären, wie sich solche Sterne in kleinen Galaxien unterscheiden.
Bildnachweis zur Hubble-Aufnahme von NGC 4449: NASA, ESA, A. Aloisi (STScI/ESA), and The Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration (Ausschnitt). Die Originalaufnahme stellt ESA/Hubble bereit.
Die Aufnahme wird unter der Lizenz Creative Commons Namensnennung 4.0 International (CC BY 4.0) verwendet.
NASA Goddard Space Flight Center, NASA’s Hubble Uncovers Case of Missing Oxygen in Nearby Dwarf Galaxies
The Astrophysical Journal 1011, 158, GLOW. II. A Census of Oxygen in Low-mass Galaxies; doi:10.3847/1538-4357/ae93a6
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