Dokąd zniknął tlen? Hubble liczy straty w galaktykach karłowatych

Gwiazdy wytwarzają tlen przez miliardy lat, ale małe galaktyki zatrzymują tylko jego niewielką część. Astronomowie, korzystając z danych Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, policzyli tlen w 37 pobliskich galaktykach karłowatych. Średnio zostaje w nich zaledwie ok. 11 proc. tego, co wyprodukowały ich gwiazdy. Wyniki, opublikowane 2 listopada w The Astrophysical Journal, sugerują, że wiatry napędzane wybuchami supernowych usuwają pierwiastki z takich galaktyk skuteczniej, niż zakładają obecne modele.

Galaktyka karłowata NGC 4449 – jedna z 37 galaktyk badanych w projekcie GLOW, które zatrzymały średnio tylko ok. 11 proc. tlenu wytworzonego przez swoje gwiazdy. Różowawe obszary to rejony powstawania gwiazd.
*Fot. NASA, ESA, A. Aloisi (STScI, ESA), Hubble Heritage–ESA/Hubble Collaboration*

Kosmiczna księgowość pierwiastków

Tlen jest po wodorze i helu najobficiej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Powstaje we wnętrzach masywnych gwiazd, a do otoczenia trafia głównie podczas wybuchów supernowych. Dla astronomów jest wygodnym wskaźnikiem całej grupy cięższych pierwiastków: łatwo go wykryć, a tempo jego produkcji dobrze znamy. To naprawdę względy praktyczne – tłumaczy Kristen Wingfield McQuinn, główna badaczka projektu, astronomka z Uniwersytetu Rutgersa i Instytutu Naukowego Kosmicznego Teleskopu (STScI).

Teoria od dawna przewiduje, że małe galaktyki mają kłopot z utrzymaniem swoich pierwiastków. Ich przyciąganie grawitacyjne jest słabe, więc gaz wzbogacony przez supernowe łatwiej ucieka w przestrzeń międzygalaktyczną. Wcześniejsze badanie z 2014 roku objęło galaktyki podobne do Drogi Mlecznej i wykazało, że tracą one dużą część tlenu, z czego część znajduje się w gazowym halo wokół galaktyk. Dla galaktyk karłowatych brakowało podobnej inwentaryzacji obejmującej liczną próbkę.

Jak policzyć tlen, którego nie widać

Projekt nosi nazwę GLOW (Galaxies Losing Oxygen via Winds, czyli galaktyki tracące tlen przez wiatry). Finansują go NASA i amerykańska Narodowa Fundacja Nauki (NSF). Zespół wybrał 37 gazowych, aktywnie tworzących gwiazdy galaktyk karłowatych w odległości do ok. 20 milionów lat świetlnych. Ich masy gwiazdowe sięgają od kilku milionów do kilku miliardów mas Słońca. To zakres, w którym symulacje przewidują rosnącą utratę tlenu przez supernowe. Wszystkie leżą też dość blisko, by Hubble rozdzielił pojedyncze gwiazdy, czego nie da się zrobić dla większości znanych galaktyk karłowatych.

Metoda opiera się na odtworzeniu historii galaktyki. Archiwalne zdjęcia z Hubble’a pozwoliły ustalić, ile gwiazd i kiedy powstało, a stąd – ile tlenu musiały wytworzyć. Potem trzeba było sprawdzić, ile go zostało. Dane z wycofanego już teleskopu Spitzera oraz z radioteleskopów VLA (USA) i ATCA (Australia) uzupełniły obraz o gaz i pył. Różnica między tlenem wyprodukowanym a obecnym to tlen brakujący.

Zostaje kilka procent

Z pracy GLOW II, dostępnej w repozytorium arXiv, wynika, że galaktyki z próbki zatrzymały od 4 do 25 proc. wytworzonego tlenu, średnio 10,7 proc. Większość tego, co zostało, tkwi w gazie. Znacznie mniej znajduje się w gwiazdach, ich pozostałościach i w pyle. Galaktyki leżące blisko dużego sąsiada wykazują większy rozrzut wartości. Wskazuje to, że środowisko wpływa na ilość tlenu, który galaktyka zachowuje, odzyskuje (ponownie wychwytując wyrzucony gaz) lub nawet pozyskuje z zewnątrz.

– Tlen powstaje w gwiazdach, które są wewnątrz galaktyk. Wiemy, że musiał się w nich kiedyś znajdować, więc został wyrzucony – mówi Grace Telford z Uniwersytetu Utah, współbadaczka projektu. – A do tego potrzeba energii masywnych gwiazd i wybuchów supernowych, które wypchną materię z galaktyk w przestrzeń międzygalaktyczną.

Wiatry galaktyczne napędzane supernowymi wydają się zatem skuteczniej usuwać tlen z małych galaktyk, niż przewidują obecne modele.

Gdzie jest brakujący tlen?

To pytanie pozostaje otwarte. Wcześniejsze pomiary dla części galaktyk z tej próbki wskazują, że gorące halo gazowe zawiera tylko 1–7 proc. wyprodukowanego tlenu. Zespół zaznacza jednak, że nie wiadomo, czy większość brakującego tlenu jest w otoczeniu galaktyk, czy opuściła je całkowicie i rozproszyła się w przestrzeni międzygalaktycznej. Jeśli to drugie, galaktyki karłowate, najliczniejsze we Wszechświecie, mogą mieć duży udział we wzbogacaniu przestrzeni międzygalaktycznej w pierwiastki.

McQuinn ma zatwierdzony program obserwacyjny z użyciem niedawno wystrzelonego Kosmicznego Teleskopu Nancy Grace Roman. Chce znaleźć jeszcze mniejsze i słabsze galaktyki na rozległych obszarach nieba. Ich gwiazdy zamierza następnie zbadać dokładniej Hubble’em i teleskopem Webba, aby odtworzyć historię powstawania gwiazd. Telford planuje z kolei obserwacje pojedynczych masywnych gwiazd w wybranych galaktykach GLOW, by sprawdzić, czym różnią się one w tak małych systemach.