Hubble enthüllt geheimnisvolle Wolke aus Dunkler Materie

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Ein Team hat mit dem Weltraumteleskop Hubble der NASA/ESA eine neue Art astronomischer Objekte entdeckt: eine sternlose, gasreiche Wolke aus Dunkler Materie, die als Überbleibsel der frühen Galaxienentstehung gilt. Die Wolke, die den Spitznamen „Cloud‑9“ trägt, ist die erste bestätigte Entdeckung eines solchen Objekts im Universum. Der Fund erweitert unser Verständnis der Galaxienentstehung, des frühen Universums und der Natur der Dunklen Materie selbst.

„Dies ist die Geschichte einer gescheiterten Galaxie“, sagte der leitende Wissenschaftler des Programms, Alejandro Benitez-Llambay von der Universität Mailand-Bicocca in Mailand, Italien. „In der Wissenschaft lernen wir meist mehr aus Fehlern als aus Erfolgen. In diesem Fall beweist das Fehlen von Sternen die Richtigkeit der Theorie. Es zeigt uns, dass wir im lokalen Universum einen ursprünglichen Baustein einer Galaxie gefunden haben, die sich noch nicht gebildet hat.“

„Diese Wolke ist ein Fenster in das dunkle Universum“, erklärte Teammitglied Andrew Fox von AURA/STScI der Europäischen Weltraumorganisation. „Theoretisch wissen wir, dass der größte Teil der Masse im Universum aus Dunkler Materie besteht. Diese dunkle Materie ist jedoch schwer nachzuweisen, da sie kein Licht aussendet. Cloud‑9 ermöglicht uns einen seltenen Blick auf eine von Dunkler Materie dominierte Wolke.“

Cloud-9 — Dieses Bild zeigt die Position von Cloud‑9, die 2.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Das diffuse Magenta sind Radiodaten des bodengestützten Very Large Array (VLA), die die Existenz der Wolke belegen. Der gestrichelte Kreis markiert den Höhepunkt der Radioemission, auf den sich die Forscher bei ihrer Suche nach Sternen konzentrierten. – Credit: NASA, ESA. G. Anand (STScI), and A. Benitez-Llambay (Univ. of Milan-Bicocca); Image processing: J. DePasquale (STScI)

Das Objekt wird als reionisierungsbegrenzte H‑I-Wolke oder kurz „RELHIC“ bezeichnet. „H‑I“ steht für neutralen Wasserstoff, und „RELHIC“ beschreibt eine ursprüngliche Wasserstoffwolke aus der Frühzeit des Universums – ein Überbleibsel, aus dem keine Sterne entstanden sind. Wissenschaftler suchen seit Jahren nach Beweisen für ein solches theoretisches Phantomobjekt. Erst als sie das Hubble-Teleskop auf die Wolke richteten und bestätigten, dass sie tatsächlich sternlos ist, fanden sie Unterstützung für ihre Theorie.

„Vor dem Einsatz von Hubble hätte man argumentieren können, dass es sich um eine lichtschwache Zwerggalaxie handelt, die wir mit bodengebundenen Teleskopen nicht beobachten konnten. Deren Empfindlichkeit reichte einfach nicht aus, um Sterne zu entdecken“, erklärte Hauptautor Gagandeep Anand vom STScI. „Doch mit Hubbles Advanced Camera for Surveys konnten wir nun eindeutig feststellen, dass dort nichts vorhanden ist.“

Die Entdeckung dieser Reliktwolke war eine Überraschung. „Unter unseren galaktischen Nachbarn könnten sich ein paar verlassene Häuser befinden“, sagte Rachael Beaton vom STScI, die ebenfalls zum Forschungsteam gehört.

RELHICs gelten als Wolken aus dunkler Materie, die nicht genug Gas ansammeln konnten, um Sterne zu bilden. Sie bieten einen Einblick in die frühen Stadien der Galaxienentstehung. Cloud‑9 deutet auf die Existenz vieler anderer kleiner, von dunkler Materie dominierter Strukturen im Universum hin – anderer gescheiterter Galaxien. Diese Entdeckung liefert neue Erkenntnisse über die dunklen Komponenten des Universums, die mit traditionellen Beobachtungen, die sich auf helle Objekte wie Sterne und Galaxien konzentrieren, nur schwer zu untersuchen sind.

Wissenschaftler untersuchen seit vielen Jahren Wasserstoffwolken in der Nähe der Milchstraße. Diese Wolken sind in der Regel deutlich größer und unregelmäßiger als Cloud‑9. Verglichen mit anderen beobachteten Wolken ist Cloud‑9 kleiner, kompakter und nahezu kugelförmig, wodurch sie sich stark von anderen Wolken unterscheidet.

Der Kern dieses Objekts besteht aus neutralem Wasserstoff und hat einen Durchmesser von etwa 4.900 Lichtjahren. Das Wasserstoffgas in Cloud‑9 hat etwa die 1‑millionfache Masse der Sonne. Wenn jedoch der Druck des Gases die Schwerkraft der Dunklen-Materie-Wolke ausgleicht, was der Fall zu sein scheint, muss Cloud‑9 stark von Dunkler Materie dominiert sein, die etwa 5 Milliarden Sonnenmassen beträgt.

Cloud‑9 ist ein Beispiel für Strukturen und Geheimnisse, die nichts mit Sternen zu tun haben. Nur die Sterne zu betrachten, vermittelt kein vollständiges Bild. Die Untersuchung von Gas und dunkler Materie trägt zu einem umfassenderen Verständnis der Vorgänge in diesen Systemen bei, die sonst unbekannt blieben.

Beobachtungsmäßig ist es schwierig, diese gescheiterten Galaxien zu identifizieren, da sie von nahegelegenen Objekten überstrahlt werden. Solche Systeme sind auch anfällig für Umwelteinflüsse wie Ram-Pressure-Stripping, wodurch Gas entfernt werden kann, wenn sich die Wolke durch den intergalaktischen Raum bewegt. Diese Faktoren reduzieren ihre erwartete Anzahl weiter.

Das sternenlose Relikt wurde vor drei Jahren im Rahmen einer Radio-Durchmusterung durch das Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST) in Guizhou, China, entdeckt, eine Entdeckung, die später durch das Green Bank Telescope und die Very Large Array-Anlagen in den Vereinigten Staaten bestätigt wurde. Aber erst mit Hubble konnten die Forscher endgültig feststellen, dass die gescheiterte Galaxie keine Sterne enthält.

Cloud-9 (vis) — Dieses Bild zeigt das leere Feld der Umgebung von Cloud‑9, das 2.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. – Credit: NASA, ESA. G. Anand (STScI), and A. Benitez-Llambay (Univ. of Milan-Bicocca); Image processing: J. DePasquale (STScI)

Cloud‑9 wurde einfach der Reihe nach benannt, da es sich um die neunte Gaswolke handelt, die am Rande einer nahe gelegenen Spiralgalaxie, Messier 94 (M94), identifiziert wurde. Die Wolke befindet sich in der Nähe von M94 und scheint physikalisch mit der Galaxie verbunden zu sein. Hochauflösende Radiodaten zeigen leichte Gasverzerrungen, die möglicherweise auf eine Wechselwirkung zwischen der Wolke und der Galaxie hindeuten.

Die Wolke könnte in Zukunft möglicherweise eine Galaxie bilden, vorausgesetzt, sie wird massereicher – wie dies geschehen könnte, ist jedoch Gegenstand von Spekulationen. Wäre sie viel größer, beispielsweise mehr als 5 Milliarden Mal so massereich wie unsere Sonne, wäre sie kollabiert, hätte Sterne gebildet und wäre zu einer Galaxie geworden, die sich nicht von anderen Galaxien unterscheiden würde, die wir sehen. Wäre sie viel kleiner, hätte sich das Gas möglicherweise verteilt und ionisiert, sodass nicht viel übrig geblieben wäre. Aber sie befindet sich in einer idealen Position, um als „RELHIC“ zu bestehen.

Das Fehlen von Sternen in diesem Objekt bietet einen einzigartigen Einblick in die intrinsischen Eigenschaften von Dunklen-Materie-Wolken. Die Seltenheit solcher Objekte und das Potenzial für zukünftige Untersuchungen dürften die Entdeckung weiterer solcher „gescheiterter Galaxien” oder „Relikte” begünstigen und zu neuen Erkenntnissen über das frühe Universum und die Physik der Dunklen Materie führen.

Dieses Ergebnis wurde in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht und auf einer Pressekonferenz auf der 247. Tagung der American Astronomical Society vorgestellt.