Misterul oxigenului dispărut: Hubble dezvăluie secretele galaxiilor

Telescopul Spațial Hubble al NASA a scos la iveală un mister fascinant în vecinătatea noastră cosmică. Într-un studiu publicat recent în The Astrophysical Journal, cercetătorii care utilizează datele furnizate de Hubble au analizat 37 de galaxii pitice din apropiere — sisteme stelare de dimensiuni reduse care conțin de la câteva mii până la sute de milioane de stele — și au descoperit că o mare parte din oxigenul pe care se așteptau să îl găsească lipsește cu desăvârșire.

Simulările teoretice și modelele cosmologice actuale prezic că în aceste galaxii ar trebui să existe o cantitate semnificativ mai mare de oxigen, acest element fiind un indicator esențial pentru prezența unei game largi de elemente grele. Întrebarea fundamentală care îi preocupă acum pe astronomi este: unde a dispărut acest oxigen?

Mecanismul ejecției stelare și vânturile galactice

Oxigenul nu apare de nicăieri; el este produs în interiorul stelelor prin procese de fuziune nucleară. „Oxigenul este produs de stele, care se află în interiorul galaxiilor. Știm că oxigenul a trebuit să fie în interiorul galaxiilor la un moment dat în trecut, deci oxigenul trebuie să fi fost ejectat”, a explicat Grace Telford, co-investigator și profesor asistent la Departamentul de Fizică și Astronomie al Universității din Utah.

Pentru a expulza materia dintr-o galaxie, este nevoie de o cantitate colosală de energie. Această energie provine de la stelele masive și de la exploziile de supernove, care acționează ca niște motoare cosmice ce împing materialul în afara galaxiilor gazdă și în spațiul intergalactic. Studiul indică faptul că vânturile galactice declanșate de supernove sunt mult mai eficiente în eliminarea oxigenului din galaxiile cu masă mică decât au prezis modelele actuale. Descoperirile arată că galaxiile pitice pot reține doar o mică fracțiune din oxigenul produs de propriile lor stele.

Proiectul GLOW și importanța oxigenului în astronomie

Cercetarea face parte din proiectul „Galaxies Losing Oxygen via Winds” (GLOW), finanțat de NASA și Fundația Națională pentru Știință (NSF). Oamenii de știință au urmărit traseul oxigenului pentru a înțelege modul în care acesta este distribuit în interiorul stelelor, în gazul dintre stele și în spațiul vast dintre galaxii.

Dar de ce au ales cercetătorii să studieze tocmai oxigenul dintre toate elementele tabelului periodic? Oxigenul este cel mai abundent element din univers după hidrogen și heliu. Mai mult, este relativ ușor de detectat și de măsurat cu instrumentele actuale, iar procesul său de producție este bine înțeles de fizicieni. Acest lucru îl transformă într-un indicator extrem de fiabil pentru modul în care elementele chimice sunt distribuite într-o galaxie.

Kristen Wingfield McQuinn, investigator principal al proiectului GLOW și șef de misiune la Centrul de Operațiuni Științifice pentru noul Telescop Spațial Nancy Grace Roman, subliniază: „Am ales oxigenul din motive practice. Fiind unul dintre elementele primare formate de stele, capacitatea de a urmări cât oxigen este produs și cum este acesta distribuit ne ajută să înțelegem evoluția galaxiilor și modul în care acestea îmbogățesc mediul intergalactic”.

Metodologia cercetării și utilizarea datelor de arhivă

Echipa de cercetare a utilizat date de imagistică optică de arhivă de la Hubble pentru a analiza populațiile stelare și pentru a determina istoria formării stelelor și compoziția acestora. Pe lângă datele de la Hubble, cercetătorii au integrat informații de la telescopul spațial Spitzer (acum retras) și de la observatoare terestre precum Very Large Array și Australian Telescope Compact Array.

Cele 37 de galaxii pitice au fost selectate strategic deoarece masele lor se încadrează în intervalul în care teoriile prezic că o cantitate tot mai mare de oxigen va fi expulzată prin explozii de supernove. Un alt factor crucial a fost proximitatea: aceste galaxii sunt suficient de aproape pentru ca Hubble să poată distinge stelele individuale, o performanță imposibilă pentru marea majoritate a galaxiilor pitice cunoscute, care sunt mult prea îndepărtate pentru un astfel de nivel de detaliu.

Destinația finală a metalelor grele în univers

Deși astronomii suspectau deja că galaxiile expulzează o mare parte din oxigen și alte elemente grele (numite generic „metale” în astronomie), o întrebare rămăsese fără răspuns: unde ajung acestea? Un studiu anterior din 2014 a analizat galaxii similare cu Calea Lactee, descoperind că o parte din oxigenul pierdut se află în halourile difuze de gaz care înconjoară galaxiile, regiune numită mediu circumgalactic.

Studiul GLOW extinde această cercetare la galaxiile cu masă mică, acoperind o gamă largă de medii cosmice. Deși s-a măsurat oxigenul în mediul circumgalactic al unor galaxii pitice, rămâne neclar dacă cea mai mare parte a oxigenului lipsă se află în această regiune sau dacă a fost complet ejectat din vecinătatea galaxiei în mediul intergalactic profund.

Viitorul observațiilor cu telescoapele Roman și Webb

Privind spre viitor, McQuinn intenționează să studieze galaxii cu mase și mai mici. Ea are deja un program aprobat pentru a utiliza viitorul Telescop Spațial Nancy Grace Roman pentru a identifica aceste sisteme minuscule și slab iluminate pe porțiuni vaste ale cerului. Odată identificate, planul este de a folosi Hubble și Telescopul Spațial James Webb pentru observații de profunzime, permițând reconstrucția istoriei acestor galaxii de-a lungul timpului cosmic.

În paralel, Grace Telford va folosi Hubble pentru a analiza individual stelele masive care produc și ejectează oxigenul. Scopul este de a caracteriza modul în care aceste stele masive diferă în galaxiile mici față de cele din galaxiile mari, oferind o piesă lipsă în puzzle-ul evoluției chimice a universului.