Sauerstoff entsteht in massereichen Sternen und gelangt mit ihren Supernova-Explosionen ins Gas einer Galaxie. Wer nachzählt, wie viel davon in kleinen Galaxien heute noch vorhanden ist, stößt auf eine große Lücke: 37 nahe Zwerggalaxien haben im Mittel nur rund elf Prozent des Sauerstoffs behalten, den ihre Sterne im Lauf der kosmischen Geschichte erzeugt haben. Das berichtet ein Team um Kristen McQuinn (Rutgers University und Space Telescope Science Institute) im Fachblatt „The Astrophysical Journal“. Grundlage sind vor allem Archivdaten des Weltraumteleskops Hubble. Die NASA hat die Studie am 2. November vorgestellt.

Die Stichprobe: 37 gasreiche Zwerggalaxien

Die Arbeit gehört zum Projekt GLOW („Galaxies Losing Oxygen via Winds“), das von der NASA und der US-amerikanischen National Science Foundation gefördert wird. Die 37 untersuchten Galaxien sind gasreich, arm an schweren Elementen und nicht weiter als sechs Megaparsec entfernt, also knapp 20 Millionen Lichtjahre. Ihre Sternmassen reichen von rund drei Millionen bis etwa drei Milliarden Sonnenmassen. In diesem Bereich sollten Supernovae nach Theorie und Simulationen zunehmend Material aus den Galaxien treiben. Zum Vergleich ziehen die Autoren Literaturwerte für noch kleinere und deutlich größere Galaxien heran.

Entscheidend für die Auswahl: Alle 37 Galaxien sind so nah, dass Hubble ihre einzelnen Sterne auflösen kann. Das gilt laut NASA für die meisten bekannten Zwerggalaxien nicht. Aus Farben und Helligkeiten der Einzelsterne lässt sich rekonstruieren, wann wie viele Sterne entstanden sind und wie sich ihre chemische Zusammensetzung entwickelt hat.

Die Methode: erzeugt minus vorhanden

Die Studie misst den fehlenden Sauerstoff nicht direkt, sondern stellt eine Bilanz auf. Auf der einen Seite steht die Menge, die die Sterne erzeugt haben müssen. Sie ergibt sich aus der Gesamtmasse aller jemals gebildeten Sterne, abgeschätzt unter anderem aus Infrarotaufnahmen des inzwischen abgeschalteten Weltraumteleskops Spitzer, und einer angenommenen Sauerstoffausbeute von Supernovae. Auf der anderen Seite steht, was heute noch da ist, verteilt auf drei Speicher:

  • Gas: Den Sauerstoffanteil liefern optische Spektren von Sternentstehungsgebieten (H-II-Regionen), ausgewertet mit der sogenannten direkten Methode. Die Gasmenge stammt aus Radiokarten des neutralen Wasserstoffs, unter anderem vom Very Large Array und vom Australia Telescope Compact Array.
  • Sterne und Sternreste: Hier gehen die aus den Hubble-Daten gewonnenen Sternentstehungsgeschichten und die zeitliche Entwicklung des Metallgehalts ein.
  • Staub: Wie viel Sauerstoff in Staubkörnern gebunden ist, schätzt das Team mit einem Modell aus der Literatur ab, das von Gasdichte und Metallgehalt abhängt.

Die Differenz ist der „fehlende“ Sauerstoff. Das Ergebnis: Die Galaxien halten zwischen 4 und 25 Prozent des erzeugten Sauerstoffs, im Mittel 10,7 Prozent. Fast alles davon steckt im Gas, deutlich weniger in Sternen, Sternresten und Staub.

Hubble-Aufnahme des Zentrums der Starburst-Zwerggalaxie NGC 1569 mit vielen jungen, bläulichen Sternen und rötlichen Gaswolken

Bild: Das Zentrum der Starburst-Galaxie NGC 1569, die ebenfalls zur GLOW-Stichprobe gehört, aufgenommen mit Hubble. NASA, ESA, A. Aloisi (STScI/ESA) u. a., gemeinfrei, via Wikimedia Commons

Mehr Verlust, als Simulationen erwarten

Dass kleine Galaxien Metalle verlieren, ist an sich nicht neu: Ihre Schwerkraft ist schwach, Supernovae können Gas leichter hinausblasen. Bemerkenswert ist das Ausmaß. Die Autoren vergleichen ihre Werte mit drei Reihen hydrodynamischer Simulationen. Diese geben zwar die bekannte Beziehung zwischen Masse und Metallgehalt von Galaxien richtig wieder, lassen aber mehr Metalle in den Galaxien zurück als beobachtet. Außerdem sagen sie innerhalb des untersuchten Massenbereichs einen Anstieg des zurückgehaltenen Anteils hin zu größeren Galaxien voraus, den die GLOW-Daten nicht zeigen.

Ein zweiter, unerwarteter Befund: Wie viel Sauerstoff eine Galaxie behalten hat, hängt nicht davon ab, wo sie in der Masse-Metallizitäts-Beziehung liegt. Erkennbar sind nur schwache Trends mit Sternmasse, Gasgehalt und Tiefe des Gravitationspotenzials. Erst bei deutlich massereicheren Galaxien ab etwa zehn Milliarden Sonnenmassen steigt der zurückgehaltene Anteil nach dem Vergleich mit anderen Studien um den Faktor drei bis vier; dort steckt der meiste Sauerstoff in Sternen.

Galaktische Winde als naheliegende Erklärung

Dass der Sauerstoff die Galaxien verlassen hat, folgt für das Team aus der Bilanz selbst: Er wurde in ihnen erzeugt, ist dort aber nicht mehr zu finden. Als Antrieb gelten Winde, die von massereichen Sternen und Supernovae angetrieben werden. Die Autoren deuten die Daten so, dass vor allem heiße Winde Metalle bevorzugt hinaustragen. Ein einfaches Modell passt am besten, wenn das ausströmende Gas etwa doppelt so metallreich ist wie das übrige Gas der Galaxie und wenn die Galaxien rund 40 Prozent weniger frisches Gas aus ihrer Umgebung aufnehmen, als es der kosmische Anteil gewöhnlicher Materie erwarten ließe. Das ist eine Modellanpassung an die Bilanz, kein direkter Nachweis solcher Winde.

Halo oder intergalaktischer Raum: Was offen bleibt

Ungeklärt ist, wo der Sauerstoff heute ist. Ein Teil könnte im zirkumgalaktischen Medium stecken, dem ausgedehnten Gashalo um die Galaxien. Dort haben frühere Messungen hochionisierten Sauerstoff (O VI) gefunden, der aber nur 1 bis 7 Prozent des erzeugten Sauerstoffs ausmacht. Mit Abschätzungen für andere Ionisationsstufen kommen die Autoren auf grob 5 bis 35 Prozent. Ein erheblicher Teil scheint damit das Schwerefeld der Galaxien ganz verlassen zu haben. Ob er das intergalaktische Medium angereichert hat, bezeichnen die Autoren ausdrücklich als offene Frage.

Die Halo-Abschätzungen sind nach Angaben des Teams sehr unsicher. Bei den nächstgelegenen Galaxien erfassen UV-Spektren, wie sie Hubbles Spektrograf COS liefert, vor allem Linien von Kohlenstoff und Silizium. Die O-VI-Linie liegt dort außerhalb des Bereichs der hochauflösenden COS-Gitter, die Umrechnung auf Sauerstoff ist daher modellabhängig. Eine noch unveröffentlichte Analyse zur Galaxie Sextans A deutet an, dass dort ein großer Teil des fehlenden Kohlenstoffs im Halo stecken könnte.

Weitere Unsicherheiten benennt die Studie selbst: Gas außerhalb von 4,4 Skalenlängen der Sternscheibe zählt nicht mit. Bei Galaxien mit ausgedehnten Gasscheiben kann das den behaltenen Anteil unterschätzen. Die aus den Sternfarben abgeleiteten Metallgehalte sind ungenauer als spektroskopische Werte, und die Sternmassen hängen von einem angenommenen Masse-Leuchtkraft-Verhältnis ab. Der Hinweis, dass Galaxien in dichterer Umgebung oder nahe einem massereichen Nachbarn mehr Sauerstoff behalten, beruht auf wenigen Objekten und gilt als vorläufig.

Wie es weitergeht

Co-Autorin Grace Telford (University of Utah) will mit Hubble einzelne massereiche Sterne in einigen GLOW-Galaxien untersuchen, also genau die Objekte, die Sauerstoff erzeugen und hinausschleudern. McQuinn plant, mit dem neuen NASA-Weltraumteleskop Nancy Grace Roman noch kleinere und lichtschwächere Galaxien aufzuspüren und sie anschließend mit Hubble und dem James-Webb-Teleskop genauer zu untersuchen. Für Modelle der Galaxienentwicklung liefert die Studie schon jetzt eine klare Messlatte: Die Rückkopplung durch Sterne scheint Metalle aus Zwerggalaxien wirksamer zu entfernen, als heutige Simulationen annehmen.

Quellen

Bildnachweis

  • Aufmacher: Starburst in NGC 4449 (Hubble-Weltraumteleskop) von NASA, ESA, A. Aloisi (STScI/ESA) und The Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, gemeinfrei (Public Domain), via Wikimedia Commons
  • Im Text: Starburst galaxy NGC 1569 (opo0838a) von NASA, ESA, A. Aloisi (STScI/ESA), J. Mack und A. Grocholski (STScI), M. Sirianni (STScI/ESA), R. van der Marel (STScI), L. Angeretti, D. Romano und M. Tosi (INAF-OAB), gemeinfrei (Public Domain), via Wikimedia Commons