Zwerggalaxien behalten laut Hubble nur 11 Prozent ihres Sauerstoffs

Die kleinen Galaxien in der Umgebung der Milchstraße haben fast den gesamten Sauerstoff verloren, den ihre eigenen Sterne erzeugt haben. Eine auf Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops basierende Bestandsaufnahme zeigt, dass eine typische Zwerggalaxie nur etwa ein Sauerstoffatom von je neun, die ihre Sterne hervorgebracht haben, behält; der Rest befindet sich nicht mehr in der Galaxie, wo Astronomen ihn zählen können.

Sauerstoff ist nach Wasserstoff und Helium das häufigste Element, und Astronomen nutzen ihn als Stellvertreter für alle schwereren Elemente, das Rohmaterial für Gesteinsplaneten, Wasser und Lebewesen. Zwerggalaxien sind die häufigste Galaxienart im Universum. Wenn sie routinemäßig den Großteil dessen, was ihre Sterne produzieren, wegwerfen, ist ein großer Anteil der schweren Elemente des Kosmos im fast leeren Raum zwischen den Galaxien gelandet. Und die Computersimulationen, die den Rest der Chemie einer Galaxie richtig abbilden, sagen, dass weit mehr hätte zurückbleiben müssen.

Das Projekt mit dem Namen Galaxies Losing Oxygen via Winds (GLOW) untersuchte 37 gasreiche Zwerggalaxien, die noch immer Sterne bilden. Sie behalten zwischen 4 % und 25 % des von ihren Sternen erzeugten Sauerstoffs, im Durchschnitt 10,7 %. Ein weit verbreiteter Satz von Galaxiensimulationen sagt das Zwei- bis Vierfache voraus.

Die Analyse wurde von Kristen McQuinn geleitet, einer Astronomin am Space Telescope Science Institute und der Rutgers University, die das Wissenschaftsoperationszentrum für das Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop der NASA leitet, und sie erscheint im The Astrophysical Journal. „Wir wissen, dass der Sauerstoff irgendwann in der Vergangenheit in den Galaxien gewesen sein muss, also muss der Sauerstoff ausgestoßen worden sein“, sagte die Mitforscherin Grace Telford, Assistenzprofessorin an der University of Utah. „Und um das zu tun, braucht man Energie von massereichen Sternen und Supernova-Explosionen, um Material aus den Wirtsgalaxien und in den Raum zwischen den Galaxien zu treiben.“

Wie man eine Bestandsaufnahme des Sauerstoffs in einer Galaxie durchführt

Die Studie funktioniert wie eine Prüfung. Zunächst schätzte das Team, wie viel Sauerstoff jede Galaxie im Laufe ihres Lebens produziert hat. Der meiste Sauerstoff stammt von massereichen Sternen, die als Supernovae enden, daher folgt die produzierte Menge der Gesamtmasse der Sterne, die eine Galaxie gebildet hat. Die Forscher maßen diese Masse anhand von Infrarotlicht, das vom stillgelegten Spitzer-Weltraumteleskop der NASA aufgezeichnet wurde, und rechneten sie mit einer Standardausbeute in Sauerstoff um, der Masse an neuem Sauerstoff, die pro umgewandelter Gaseinheit in Sterne freigesetzt wird.

Dann zählten sie, was noch vorhanden ist. Hubbles Archivbilder lösen die einzelnen Sterne jeder Galaxie auf, und die Farben und Helligkeiten dieser Sterne verraten, wann sie entstanden sind und wie viel Sauerstoff sie gebunden haben. Radioteleskope, das Very Large Array in New Mexico und das Australia Telescope Compact Array, wogen das Wasserstoffgas anhand des schwachen Radiosignals, das es aussendet. Optische Spektren der leuchtenden Wolken um junge Sterne ergaben den Sauerstoffgehalt dieses Gases, und eine Korrektur für den in Staubkörnern gebundenen Sauerstoff vervollständigte die Bilanz.

Die Galaxien wurden mit Bedacht ausgewählt. Sie sind etwa 3 bis 20 Millionen Lichtjahre entfernt, nah genug, dass Hubble einzelne Sterne erkennen kann, was bei den meisten bekannten Zwerggalaxien unmöglich ist. Ihre Massen reichen von einigen Millionen bis zu einigen Milliarden Sonnenmassen, dem Bereich, in dem die Theorie vorhersagt, dass Superwinde den größten Schaden anrichten sollten. Keine von ihnen umkreist eine große Galaxie als Satellit. Von dem Sauerstoff, den sie behalten haben, befindet sich fast alles in ihrem Gas, mit viel geringeren Mengen in Sternen und Staub.

Größere Galaxien behalten drei- bis viermal mehr

Die Verluste wirken extrem im Vergleich zu größeren Galaxien. Die Studie fasst frühere Ergebnisse zusammen, die zeigen, dass die Retention um den Faktor drei bis vier für Galaxien mit etwa zehn Milliarden Sonnenmassen und mehr ansteigt, wo der meiste behaltene Sauerstoff in Sternen und nicht in Gas gebunden ist. Andromeda, die große Spirale, die der Milchstraße am nächsten ist, hat 38 % ihrer schweren Elemente behalten, der größte Teil davon in Sternen, so eine frühere Analyse von Telford und Kollegen mit einer ähnlichen Methode.

Die übliche Erklärung ist die Schwerkraft. Eine kleine Galaxie hat ein flaches Gravitationspotential, sodass die Druckwellen explodierender Sterne Gas mit Geschwindigkeiten aus der Galaxie treiben können, die die Galaxie nicht halten kann. Die GLOW-Daten passen zu einem einfachen Modell, bei dem die entweichenden Winde etwa die doppelte Sauerstoffkonzentration des zurückgebliebenen Gases aufweisen, und bei dem diese Galaxien außerdem etwa 40 % weniger frisches Gas aus dem intergalaktischen Raum aufnehmen, als ihr Anteil an der gewöhnlichen Materie des Universums vermuten ließe.

Am unteren Ende der Skala hat Leo P, eine lichtschwache Zwerggalaxie, die dieselbe Gruppe bereits früher untersucht hat, 5 % ihres Sauerstoffs behalten. Einige der eigenen Satelliten der Milchstraße halten nur 1 % bis 3 %, aber die größere Galaxie hat ihnen auch ihr Gas entzogen, sodass ihre Verluste eine andere Ursache haben.

Auch die Umgebung scheint eine Rolle zu spielen. Zwerggalaxien, die mehr als etwa 3 Millionen Lichtjahre von einem großen Nachbarn entfernt sind, behalten durchweg einen geringen Anteil ihres Sauerstoffs. Diejenigen, die näher an einer großen Galaxie in dichterer Umgebung sind, neigen dazu, mehr zu behalten, möglicherweise weil der äußere Druck das ausgestoßene Gas zurückdrückt oder weil sie Sauerstoff aufsammeln, der von anderen ausgestoßen wurde. Und entgegen den Erwartungen des Teams korrelierte die Menge des von einer Galaxie behaltenen Sauerstoffs nicht mit ihrer Position in der Standardbeziehung zwischen der Masse einer Galaxie und dem Sauerstoffgehalt ihres Gases.

Simulationen treffen die Chemie richtig, aber den Sauerstoffhaushalt falsch

Dieses letzte Ergebnis ist der Grund, warum die Studie über Zwerggalaxien hinaus von Bedeutung ist. Kosmologische Simulationen sind darauf abgestimmt, die Masse-Metallizitäts-Beziehung zu reproduzieren, und die drei, mit denen das Team verglichen hat, tun dies bei diesen Massen alle gut. Dennoch behalten dieselben Simulationen zu viel Sauerstoff in ihren Galaxien; ein Satz sagt eine zwei- bis viermal höhere Retention voraus als gemessen. Sie sagen auch voraus, dass die Retention mit der Masse stark ansteigen sollte, was die kombinierten Beobachtungen nicht zeigen.

Die Simulationen treffen die durchschnittliche Chemie richtig, während sie den Sauerstoff auf die falsche Weise bewegen. Die Autoren argumentieren, dass diese Art von Diskrepanz konkurrierende Rezepte für das stellare Feedback trennen kann, die Energie, die von Supernovae und massereichen Sternen eingebracht wird und die jede Simulation annähern muss, weil sie einzelne Explosionen nicht auflösen kann.

Was die Bestandsaufnahme nicht klärt

Die größte offene Frage ist, wohin der fehlende Sauerstoff gegangen ist. Ultraviolettbeobachtungen des Halos aus diffusem Gas um einige dieser Galaxien haben hoch ionisierten Sauerstoff nachgewiesen, aber er macht nur 1 % bis 7 % des produzierten Sauerstoffs aus. Eine Korrektur für Sauerstoff in anderen Zuständen könnte den Anteil des Halos auf irgendwo zwischen 5 % und 35 % erhöhen, eine Spanne, die offen lässt, ob der meiste Sauerstoff in der Nähe seiner Galaxie verbleibt oder endgültig in den intergalaktischen Raum entkommen ist. Das Team merkt an, dass selbst diese Korrektur möglicherweise nicht haltbar ist, wenn das Halo-Gas nicht im Gleichgewicht ist.

Die Prüfung beruht auch auf Annahmen. Die Sternmassen haben eine Unsicherheit von etwa 33 %, und der produzierte Sauerstoff hängt von den verwendeten Supernova-Ausbeuten und der angenommenen Mischung der Sternmassen bei der Geburt ab. Die Simulationen verwenden ebenfalls unterschiedliche Ausbeuten und unterschiedliche Definitionen dafür, wo eine Galaxie endet, daher warnen die Autoren vor strengen Zahlenvergleichen, bezeichnen die Gesamttrends jedoch als robust. Das Muster der Umgebungseinflüsse stammt aus einer kleinen Stichprobe und wird als vorläufig beschrieben, und die 37 Galaxien sind allesamt gasreiche, sternbildende Feldzwerggalaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft, nicht jede Art von kleiner Galaxie.

Häufige Fragen zu Zwerggalaxien und fehlendem Sauerstoff

Was ist eine Zwerggalaxie?

Eine Zwerggalaxie ist eine kleine Galaxie mit einigen tausend bis hunderten Millionen Sternen, im Gegensatz zu hunderten Milliarden in der Milchstraße. Zwerggalaxien sind die zahlreichsten Galaxien im Universum. Die in dieser Studie untersuchten sind gasreich und bilden noch immer Sterne.

Woher kommt der Sauerstoff in einer Galaxie?

Fast alles davon wird im Inneren massereicher Sterne erzeugt und freigesetzt, wenn sie als Supernovae explodieren. Jede Sterngeneration reichert das umgebende Gas an, und spätere Sterne und Planeten entstehen aus diesem angereicherten Material. Der Sauerstoff in der Luft und im Wasser der Erde wurde auf diese Weise lange vor der Existenz der Sonne erzeugt.

Wo ist der fehlende Sauerstoff geblieben?

Supernova-getriebene Winde haben ihn aus den Galaxien getrieben. Ein Teil davon befindet sich in einem diffusen Gas-Halo um jede Galaxie, aber der gemessene Halo-Sauerstoff deckt nur einen kleinen Teil des Defizits ab. Der Rest könnte vollständig in den intergalaktischen Raum entkommen sein, und die derzeitigen Daten können noch nicht sagen, welcher Fall zutrifft.

Warum verlieren kleine Galaxien mehr Sauerstoff als große?

Ihre Schwerkraft ist schwächer, sodass die Energie explodierender Sterne leichter Gas aus ihnen herausheben kann. Große Spiralgalaxien wie Andromeda behalten einen viel größeren Anteil, der größtenteils in ihren Sternen gebunden ist. Die GLOW-Galaxien behielten im Durchschnitt etwa ein Zehntel.

Roman wird nach noch lichtschwächeren Galaxien suchen

Die GLOW-Bestandsaufnahme wurde am 2. November 2026 im The Astrophysical Journal veröffentlicht, zusammen mit einem Begleit-Atlas der Galaxiedaten in der Astrophysical Journal Supplement Series; Vorabdrucke waren bereits im August veröffentlicht worden. McQuinn hat ein genehmigtes Programm am neu gestarteten Roman-Weltraumteleskop, um noch kleinere und lichtschwächere Galaxien über ein weites Himmelsgebiet zu finden, die sie dann mit Hubble und dem James-Webb-Weltraumteleskop eingehend untersuchen möchte. Telford nutzt Hubble, um die einzelnen massereichen Sterne zu untersuchen, die in mehreren GLOW-Galaxien den Sauerstoff erzeugen und ihn aus ihnen hinaustreiben.

Referenz: McQuinn et al., „GLOW. II. A Census of Oxygen in Low-mass Galaxies,“ The Astrophysical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-4357/ae93a6

Schlagwörter: Astronomie, Hubble, NGC 4449, Sauerstoff, Supernovae, Zwerggalaxien