哈伯發現矮星系只留住了自身恆星所造氧氣的11%

銀河系周圍的小型星系，幾乎已流失了自身恆星製造的所有氧元素。根據哈伯太空望遠鏡觀測資料建立的一項普查顯示，一個典型矮星系至今僅保有其恆星鍛造的每九個氧原子中約一個；其餘氧元素已不在星系內，因此天文學家無法加以清點。

氧是僅次於氫與氦、宇宙中含量最豐富的元素；天文學家將它視為所有較重元素的代表，而這些元素正是岩質行星、水與生命的原料。矮星系是宇宙中最常見的星系類型。若它們經常拋失恆星所產生的大部分物質，那麼宇宙中很大一部分重元素，便最終進入了星系之間近乎空無一物的空間。而那些能正確模擬星系其餘化學性質的電腦模擬，則指出應有更多氧元素留在星系之中。

這項名為 Galaxies Losing Oxygen via Winds（GLOW）的計畫，研究了37個仍在形成恆星、富含氣體的矮星系。它們保留了其恆星所製造氧元素的4%至25%，平均為10.7%。一套被廣泛採用的星系模擬則預測，其保留量應高出兩至四倍。

這項分析由太空望遠鏡科學研究所及羅格斯大學的天文學家克里斯汀・麥奎因（Kristen McQuinn）領導；她同時主管 NASA 南西・葛蕾絲・羅曼太空望遠鏡的科學運作中心。研究發表於《The Astrophysical Journal》。共同研究者、猶他大學助理教授葛蕾絲・特爾福德（Grace Telford）表示：「我們知道氧元素在過去某個時點必定曾位於這些星系之內，因此它必然被拋射出去了。要做到這一點，需要大質量恆星與超新星爆發提供能量，將物質從宿主星系推出，送入星系間空間。」

如何盤點一個星系中的氧元素

這項研究的運作方式如同審計。研究團隊首先估算每個星系在其生命歷程中共產生了多少氧元素。大部分氧來自最終以超新星告終的大質量恆星，因此氧的產量與星系形成恆星的總質量相關。研究人員利用 NASA 已退役的史匹哲太空望遠鏡記錄到的紅外線，測量這項質量，接著以標準產額換算為氧元素；這項產額指的是每單位氣體轉化為恆星時所釋放的新生氧元素質量。

接著，他們清點至今仍留存的氧元素。哈伯的檔案影像可分辨每個星系中的個別恆星，這些恆星的顏色與亮度可揭示它們何時形成，以及鎖存了多少氧元素。位於新墨西哥州的 Very Large Array 與 Australia Telescope Compact Array 等電波望遠鏡，則透過氫氣發出的微弱電波訊號，量測氫氣質量。年輕恆星周圍發光雲氣的光學光譜，提供了該氣體中的氧含量；再針對困在塵埃顆粒中的氧元素進行校正，便完成了總計。

這些星系是刻意挑選的。它們距離約為300萬至2,000萬光年，近到足以讓哈伯辨識單顆恆星；對大多數已知矮星系而言，這是不可能做到的事。其質量從太陽質量的數百萬倍至數十億倍不等，正是理論預測超新星風應造成最大損失的範圍。它們沒有任何一個以衛星星系身分環繞大型星系運行。在所保留的氧元素之中，幾乎全部存在於氣體內，恆星與塵埃中的含量則少得多。

大型星系保留的氧元素多出三至四倍

與較大的星系相比，這些損失顯得極為驚人。研究彙整了先前結果，顯示當星系質量約達100億個太陽質量或以上時，氧元素保留率會提高三至四倍；在這類星系中，大部分保留下來的氧是鎖在恆星裡，而非氣體中。根據特爾福德與同事先前採用相似方法進行的分析，距離銀河系最近的大型螺旋星系仙女座星系，保留了其重元素的38%，其中大部分位於恆星之中。

通常的解釋是重力。小型星系的重力井較淺，因而爆炸恆星產生的震波能以星系無法束縛的速度將氣體推出。GLOW 資料符合一個簡單模型：逸出的星系風所帶有的氧濃度，約為殘留氣體的兩倍；而且這些星系自星系際空間吸入的新鮮氣體，也比依照其在宇宙普通物質中所占份額推算的數量少約40%。

在最小的一端，同一團隊先前研究過的暗弱矮星系獅子座P（Leo P），僅保留了5%的氧元素。銀河系本身的一些衛星星系也只保有1%至3%，但這個較大的星系同時也剝離了它們的氣體，因此其損失原因並不相同。

環境似乎也會造成影響。距離任何大型鄰近星系超過約300萬光年的矮星系，一貫只保留很低比例的氧元素。較靠近大型星系、處在密度更高環境中的矮星系，則傾向保留較多氧元素；原因可能是外部壓力將被排出的氣體推回星系內，或是它們掃集了其他星系拋出的氧元素。而且，與團隊原先預期相反的是，一個星系保留多少氧元素，並未與其在星系質量及其氣體氧含量標準關係中的位置相符。

模擬的化學性質正確，氧元素預算卻出了錯

最後這項結果，正是這份研究的重要性超越矮星系本身的原因。宇宙學模擬經過調整，以重現質量－金屬量關係；團隊所比較的三種模擬，都能在這個質量範圍內良好地做到這一點。然而，同樣的模擬卻將過多氧元素留在星系內；其中一套模擬預測的保留率，比量測結果高出兩至四倍。它們還預測保留率應隨質量急遽增加，但合併後的觀測資料並未顯示這種現象。

這些模擬得出了正確的平均化學性質，卻以錯誤的方式搬運了氧元素。作者認為，這類不一致可用來區分彼此競爭的恆星回饋方案；超新星與大質量恆星注入的能量，是每一套模擬都必須近似處理的項目，因為模擬無法解析單次爆炸。

這項普查尚未解決的問題

最大的未解問題，是缺失的氧元素究竟去了哪裡。對其中一些星系周圍瀰漫氣體暈的紫外線觀測，已偵測到高度游離的氧元素，但它只占已產生氧元素的1%至7%。若對其他狀態的氧元素加以校正，氣體暈所占比例可能升至5%至35%之間；這個範圍仍無法判定，大部分氧元素是逗留在星系附近，還是已永久逃入星系際空間。團隊指出，若氣體暈中的氣體並非處於平衡狀態，即使這項校正也未必成立。

這項盤點同樣建立在若干假設之上。恆星質量帶有約33%的不確定性，而氧元素產量取決於採用的超新星產額，以及假設恆星誕生時的質量分布。模擬使用的產額不同，對星系邊界的定義也不同，因此作者警告，不宜進行嚴格的數字對數字比較，同時認為整體趨勢依然穩健。環境模式來自小型樣本，因此僅被描述為暫時性的；此外，這37個星系全都是位於我們宇宙鄰域、富含氣體且正在形成恆星的場矮星系，並不代表所有類型的小型星系。

關於矮星系與缺失氧元素的常見問題

什麼是矮星系？

矮星系是小型星系，擁有數千至數億顆恆星；相較之下，銀河系有數千億顆恆星。矮星系是宇宙中數量最多的星系。本研究中的矮星系富含氣體，且仍在形成恆星。

星系中的氧元素來自何處？

幾乎所有氧元素都在大質量恆星內部形成，並在它們以超新星爆炸時釋放。每一代恆星都會使周遭氣體富集，後來的恆星與行星再由這些富集物質形成。地球大氣與水中的氧元素，早在太陽存在之前便是以這種方式鍛造而成。

缺失的氧元素去了哪裡？

由超新星驅動的星系風將它推出了星系。一部分位於每個星系周圍的瀰漫氣體暈中，但已量測到的氣體暈氧元素僅能解釋缺口中的一小部分。其餘氧元素可能已完全逃入星系際空間，而現有資料尚無法判定何者為真。

為什麼小型星系流失的氧元素比大型星系更多？

它們的重力較弱，因此爆炸恆星的能量更容易將氣體從中抬升並推出。仙女座星系等大型螺旋星系保留了大得多的比例，且大多鎖在其恆星內。GLOW 星系平均保留了約十分之一。

Roman 將搜尋更小、更暗弱的星系

GLOW 普查於2026年11月2日發表在《The Astrophysical Journal》，同時還有一份星系資料的配套圖集發表於《Astrophysical Journal Supplement Series》；預印本則已於8月發布。麥奎因在新近發射的羅曼太空望遠鏡上有一項已獲核准的計畫，將在大片天空區域尋找更小、更暗弱的星系，之後她希望以哈伯及詹姆斯・韋伯太空望遠鏡對這些星系進行深入研究。特爾福德正利用哈伯檢視數個 GLOW 星系中製造氧元素、並將其驅離星系的個別大質量恆星。

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

標籤: 天文學, Hubble, 超新星, NGC 4449, 氧, 矮星系