Sterrenkundigen zochten zuurstof in kleine sterrenstelsels, maar vonden veel minder dan verwacht: waar is het gebleven?

Sterrenkundigen hebben recentelijk 37 dwergsterrenstelsels onderzocht met behulp van de Hubble-ruimtelescoop. De resultaten van dit onderzoek, geleid door Kristen Wingfield McQuinn van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, tonen aan dat deze stelsels veel minder zuurstof vasthouden dan verwacht. Dit roept vragen op over de bestemming van het zuurstof dat door de sterren geproduceerd wordt.

Zuurstof is het meest voorkomende zware element in het universum, na waterstof en helium. Het ontstaat voornamelijk in zware sterren tijdens hun levenscyclus, maar de onderzoekers ontdekten dat een groot deel van het geproduceerde zuurstof in dwergsterrenstelsels verloren gaat. De bevindingen zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal als onderdeel van het project ‘Galaxies Losing Oxygen via Winds’ (GLOW).

Dwergsterrenstelsels, die doorgaans enkele duizenden tot honderden miljoenen sterren bevatten, hebben een aanzienlijk lagere zuurstofvoorraad in vergelijking met grotere sterrenstelsels zoals de Melkweg. Met de Hubble-ruimtelescoop konden wetenschappers individuele sterren in deze kleine stelsels bestuderen en hun sterformatiegeschiedenis reconstrueren, wat leidde tot een schatting van de zuurstofproductie in de loop der tijd.

Het resultaat was schokkend: gemiddeld houdt een dwergsterrenstelsel slechts ongeveer 11 procent van het geproduceerde zuurstof vast. Sommige stelsels behouden tot 25 procent, terwijl andere stelsels nog geen 4 procent weten te conserveren. Ter vergelijking: grotere sterrenstelsels bevatten drie tot vier keer zoveel zuurstof. De simulaties die astronomen gebruikten om de chemische evolutie van sterrenstelsels te modelleren, voorspelden een veel hogere zuurstofvoorraad. Dit suggereert dat de mechanismen die zuurstof uit een sterrenstelsel verwijderen veel effectiever zijn dan eerder gedacht.

Een belangrijke factor lijkt de energie te zijn die sterren hun licht geeft. Massieve sterren eindigen hun leven in supernova-explosies, waarbij schokgolven enorme hoeveelheden gas uit het sterrenstelsel kunnen duwen. In een dwergsterrenstelsel is de zwaartekracht niet sterk genoeg om dit materiaal vast te houden, waardoor galactische winden het zuurstof de intergalactische ruimte in voeren.

Desondanks varieert de situatie tussen verschillende sterrenstelsels. De onderzoekers ontdekten dat stelsels die zich dicht bij grote sterrenstelsels bevinden, op minder dan 3 miljoen lichtjaar afstand, relatief meer zuurstof vasthouden. Dit kan te maken hebben met het omringende gas dat de weggeblazen zuurstof deels terugduwt, of dat dwergstelsels zuurstof opnemen die door nabijgelegen stelsels is uitgestoten. Dit patroon is echter gebaseerd op slechts een handvol waarnemingen, dus verdere studies zijn noodzakelijk om het te bevestigen.

In de nabijheid van onze Melkweg zijn er tientallen dwergsterrenstelsels bekend, zoals de Grote en Kleine Magelhaanse Wolk, die met het blote oog zichtbaar zijn. Verder weg, binnen een straal van ongeveer 3 megaparsec (ongeveer 10 miljoen lichtjaar), zijn meer dan honderd dwergsterrenstelsels geïdentificeerd. Deze stelsels, waaronder NGC 4449, variëren van onregelmatige stelsels met actieve stervorming tot bolvormige dwergen waarin stervorming vrijwel tot stilstand is gekomen.

Een belangrijke vraag blijft waar het zuurstof dat uit deze sterrenstelsels ontsnapt uiteindelijk naartoe gaat. Eerdere studies hebben slechts een klein percentage van het zuurstof teruggevonden in de hete gaswolk rondom de stelsels, zo'n 1 tot 7 procent. Zelfs als koeler gas wordt meegerekend, lijkt het niet meer dan een derde te zijn. De rest lijkt verloren te zijn gegaan aan de intergalactische ruimte, maar dit is nog niet definitief bewezen. McQuinn is van plan om met de nieuwe Nancy Grace Roman-telescoop nog kleinere en zwakkere stelsels te onderzoeken en deze verder te bestuderen met de Hubble- en James Webb-telescoop.

Als het merendeel van het ontbrekende zuurstof daadwerkelijk is ontsnapt, zouden de kleinste sterrenstelsels in het universum de grootste verspreiders van dit element kunnen zijn. Het zuurstof dat ooit in hun sterren werd gevormd, zou door het universum reizen en uiteindelijk neerslaan in nieuwe sterren, nieuwe planeten en in de longen van organismen die zuurstof inademen.

Deze studie dwingt astronomen om hun modellen van galactische chemische evolutie opnieuw te evalueren. Dwergsterrenstelsels verliezen veel meer zware elementen dan eerder werd aangenomen, wat gevolgen heeft voor ons begrip van de verspreiding van metalen door het universum. In de komende jaren zal verder onderzoek moeten uitwijzen waar het ontbrekende zuurstof precies terechtkomt en of de efficiënte windmechanismen ook in grotere stelsels een rol spelen. Wat duidelijk is, is dat de kosmische voorraad zuurstof minder stabiel is dan voorheen werd gedacht.