Hubble scopre che le galassie nane trattengono solo l’11% del loro ossigeno

Le piccole galassie intorno alla Via Lattea hanno perso quasi tutto l’ossigeno prodotto dalle loro stelle. Un censimento basato sulle osservazioni del telescopio spaziale Hubble rivela che una tipica galassia nana trattiene ancora solo circa un atomo di ossigeno ogni nove forgiati dalle sue stelle; il resto non si trova più all’interno della galassia, dove gli astronomi possono contarlo.

L’ossigeno è l’elemento più abbondante dopo l’idrogeno e l’elio, e gli astronomi lo usano come indicatore per tutti gli elementi più pesanti, la materia prima dei pianeti rocciosi, dell’acqua e degli esseri viventi. Le galassie nane sono il tipo di galassia più comune nell’universo. Se abitualmente espellono la maggior parte di ciò che le loro stelle producono, una grande fetta degli elementi pesanti del cosmo è finita nello spazio quasi vuoto tra le galassie. E le simulazioni al computer che azzeccano il resto della chimica di una galassia prevedono che una quantità molto maggiore sarebbe dovuta rimanere all’interno.

Il progetto, chiamato Galaxies Losing Oxygen via Winds (GLOW), ha studiato 37 galassie nane ricche di gas che stanno ancora formando stelle. Esse trattengono tra il 4% e il 25% dell’ossigeno prodotto dalle loro stelle, con una media del 10,7%. Un noto insieme di simulazioni galattiche ne prevede da due a quattro volte tanto.

L’analisi è stata condotta da Kristen McQuinn, astronoma presso lo Space Telescope Science Institute e la Rutgers University, che dirige il centro operativo scientifico del telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA, ed è pubblicata su The Astrophysical Journal. “Sappiamo che l’ossigeno doveva trovarsi all’interno delle galassie in un certo momento del passato, quindi deve essere stato espulso”, ha dichiarato la co-investigatrice Grace Telford, professoressa assistente all’Università dello Utah. “E per farlo, è necessaria l’energia delle stelle massicce e delle esplosioni di supernova per spingere il materiale fuori dalle galassie ospiti e nello spazio tra le galassie.”

Come fare l’inventario dell’ossigeno in una galassia

Lo studio funziona come una verifica contabile. Innanzitutto, il team ha stimato quanto ossigeno ogni galassia ha prodotto nel corso della sua vita. La maggior parte dell’ossigeno proviene da stelle massicce che terminano la loro vita come supernovae, quindi la quantità prodotta è correlata alla massa totale di stelle che una galassia ha formato. I ricercatori hanno misurato questa massa dalla luce infrarossa registrata dal telescopio spaziale Spitzer della NASA, ora dismesso, e l’hanno convertita in ossigeno utilizzando una resa standard, ovvero la massa di nuovo ossigeno rilasciato per ogni unità di gas trasformata in stelle.

Poi hanno contato ciò che è ancora lì. Le immagini d’archivio di Hubble risolvono le singole stelle di ciascuna galassia, e i colori e la luminosità di quelle stelle rivelano quando si sono formate e quanto ossigeno hanno intrappolato. I radiotelescopi, il Very Large Array in New Mexico e l’Australia Telescope Compact Array, hanno pesato il gas idrogeno attraverso il debole segnale radio che emette. Gli spettri ottici delle nubi luminose intorno alle stelle giovani hanno fornito il contenuto di ossigeno di quel gas, e una correzione per l’ossigeno intrappolato nei granelli di polvere ha completato il conteggio.

Le galassie sono state scelte appositamente. Si trovano a una distanza compresa tra circa 3 e 20 milioni di anni luce, abbastanza vicine perché Hubble possa distinguere le singole stelle, cosa impossibile per la maggior parte delle galassie nane conosciute. Le loro masse vanno da pochi milioni a pochi miliardi di volte la massa del Sole, l’intervallo in cui la teoria prevede che i venti di supernova facciano i danni maggiori. Nessuna di esse orbita intorno a una grande galassia come satellite. Dell’ossigeno che hanno trattenuto, quasi tutto si trova nel loro gas, con quantità molto minori nelle stelle e nella polvere.

Le galassie più grandi ne trattengono da tre a quattro volte di più

Le perdite appaiono estreme se paragonate a quelle delle galassie più grandi. Lo studio raccoglie risultati precedenti che mostrano come la ritenzione aumenti di un fattore da tre a quattro per le galassie di circa dieci miliardi di masse solari e oltre, dove la maggior parte dell’ossigeno trattenuto è bloccato nelle stelle piuttosto che nel gas. Andromeda, la grande spirale più vicina alla Via Lattea, ha trattenuto il 38% dei suoi elementi pesanti, per lo più nelle stelle, secondo un’analisi precedente condotta da Telford e colleghi con un metodo simile.

La spiegazione usuale è la gravità. Una galassia piccola ha un pozzo gravitazionale poco profondo, quindi le onde d’urto delle stelle che esplodono possono spingere il gas a velocità che la galassia non riesce a trattenere. I dati di GLOW si adattano a un modello semplice in cui i venti in fuga trasportano circa il doppio della concentrazione di ossigeno del gas rimasto, e in cui queste galassie attirano anche circa il 40% in meno di gas fresco dallo spazio intergalattico rispetto a quanto la loro quota di materia ordinaria dell’universo suggerirebbe.

All’estremità inferiore della scala, Leo P, una debole nana studiata in precedenza dallo stesso gruppo, ha trattenuto il 5% del suo ossigeno. Alcuni dei satelliti della stessa Via Lattea ne trattengono solo dall’1% al 3%, ma la galassia più grande li ha anche spogliati del loro gas, quindi le loro perdite hanno una causa diversa.

Anche l’ambiente sembra contare. Le galassie nane che distano più di circa 3 milioni di anni luce da qualsiasi grande vicino trattengono costantemente una bassa percentuale del loro ossigeno. Quelle più vicine a una grande galassia, in ambienti più densi, tendono a trattenerne di più, forse perché la pressione esterna respinge il gas espulso o perché raccolgono l’ossigeno espulso da altre. E, contrariamente a quanto il team si aspettava, la quantità di ossigeno trattenuta da una galassia non si allineava con la sua posizione nella relazione standard tra la massa di una galassia e il contenuto di ossigeno del suo gas.

Le simulazioni azzeccano la chimica ma sbagliano il bilancio dell’ossigeno

Quest’ultimo risultato è il motivo per cui lo studio è importante al di là delle galassie nane. Le simulazioni cosmologiche sono calibrate per riprodurre la relazione massa-metallicità, e le tre con cui il team ha confrontato i dati riescono tutte bene a queste masse. Eppure le stesse simulazioni trattengono troppo ossigeno all’interno delle loro galassie; un set prevede una ritenzione da due a quattro volte superiore a quella misurata. Prevedono anche che la ritenzione dovrebbe aumentare rapidamente con la massa, cosa che le osservazioni combinate non mostrano.

Le simulazioni azzeccano la chimica media mentre spostano l’ossigeno nel modo sbagliato. Gli autori sostengono che questo tipo di discrepanza può separare le ricette concorrenti per il feedback stellare, l’energia iniettata dalle supernovae e dalle stelle massicce che ogni simulazione deve approssimare perché non può risolvere le singole esplosioni.

Ciò che il censimento non chiarisce

La più grande domanda aperta è dove sia finito l’ossigeno mancante. Le osservazioni ultraviolette dell’alone di gas diffuso intorno ad alcune di queste galassie hanno rilevato ossigeno altamente ionizzato, ma rappresenta solo dall’1% al 7% dell’ossigeno prodotto. Correggere per l’ossigeno in altri stati potrebbe portare la quota dell’alone a una cifra compresa tra il 5% e il 35%, un intervallo che lascia aperta la possibilità che la maggior parte dell’ossigeno si trovi ancora vicino alla sua galassia o sia fuggito nello spazio intergalattico per sempre. Il team osserva che anche questa correzione potrebbe non reggere se il gas dell’alone è fuori equilibrio.

La verifica si basa anche su presupposti. Le masse stellari hanno un’incertezza di circa il 33%, e l’ossigeno prodotto dipende dalle rese di supernova adottate e dalla miscela di masse stellari assunta alla nascita. Anche le simulazioni usano rese diverse e definizioni diverse di dove finisce una galassia, quindi gli autori mettono in guardia da confronti numerici rigidi, pur definendo robuste le tendenze generali. Lo schema ambientale proviene da un campione ridotto ed è descritto come provvisorio, e le 37 galassie sono tutte nane di campo ricche di gas e in formazione stellare nel nostro vicinato cosmico, non ogni tipo di galassia piccola.

Domande comuni sulle galassie nane e l’ossigeno mancante

Cos’è una galassia nana?

Una galassia nana è una galassia piccola con poche migliaia o centinaia di milioni di stelle, contro le centinaia di miliardi della Via Lattea. Le nane sono le galassie più numerose dell’universo. Quelle di questo studio sono ricche di gas e stanno ancora formando stelle.

Da dove viene l’ossigeno in una galassia?

Quasi tutto viene prodotto all’interno di stelle massicce e rilasciato quando esplodono come supernovae. Ogni generazione di stelle arricchisce il gas circostante, e le stelle e i pianeti successivi si formano da quel materiale arricchito. L’ossigeno nell’aria e nell’acqua della Terra è stato forgiato in questo modo molto prima che il Sole esistesse.

Dov’è finito l’ossigeno mancante?

I venti generati dalle supernovae lo hanno spinto fuori dalle galassie. Una parte si trova in un alone diffuso di gas intorno a ciascuna galassia, ma l’ossigeno dell’alone misurato copre solo una piccola frazione del deficit. Il resto potrebbe essere completamente fuggito nello spazio intergalattico, e i dati attuali non possono ancora stabilirlo.

Perché le galassie piccole perdono più ossigeno di quelle grandi?

La loro gravità è più debole, quindi l’energia delle stelle che esplodono può sollevare il gas più facilmente. Le grandi spirali come Andromeda trattengono una percentuale molto maggiore, per lo più bloccata all’interno delle loro stelle. Le galassie di GLOW ne hanno trattenuto in media circa un decimo.

Roman cercherà galassie ancora più deboli

Il censimento di GLOW è stato pubblicato il 2 novembre 2026 su The Astrophysical Journal, insieme a un atlante complementare dei dati galattici su Astrophysical Journal Supplement Series; le prestampe erano state pubblicate ad agosto. McQuinn ha un programma approvato sul telescopio spaziale Roman, da poco lanciato, per trovare galassie ancora più piccole e deboli in un’ampia area di cielo, che spera poi di studiare in dettaglio con Hubble e il telescopio spaziale James Webb. Telford sta usando Hubble per esaminare le singole stelle massicce che producono l’ossigeno in diverse galassie di GLOW e lo espellono da esse.

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

Tag: astronomia, Hubble, galassie nane, NGC 4449, ossigeno, supernove