Rätsel um Galaxien ohne „dunkle“ Halos

Widerspruch zur Theorie: Zwerggalaxien im nahen Fornax-Galaxienhaufen verhalten sich anders als sie eigentlich dürften, wie eine Studie aufzeigt. Normalerweise müsste ein Halo aus Dunkler Materie die Zwerggalaxien vor den verformenden Gezeitenkräften anderer, naher Galaxien schützen. Doch das ist der vergleichenden Analyse zufolge nicht der Fall. Die Astronomen stellten einen deutlichen Widerspruch zum kosmologischen Standardmodell fest – eine alternative Theorie passte dagegen besser.

Gängiger Theorie nach werden Form und Verhalten aller Galaxien von der Dunklen Materie geprägt. Denn ihre Masse ist in solchen Sternansammlungen um ein Mehrfaches höher als die der sichtbaren Sterne und Gase. Besonders viel Dunkle Materie findet sich dabei im galaktischen Halo, dem nur dünn mit Sternen besetzten Außenbereich der Galaxien. Durch ihre Schwerkraftwirkung hält diese „dunkle“ Hülle die Galaxien in Form und schützt sie auch vor den Gezeitenkräften anderer, naher Galaxien – so jedenfalls sagt es das kosmologische Modell der kalten Dunklen Materie voraus.

Allerdings: In den letzten Jahren haben Astronomen schon mehrfach Zwerggalaxien entdeckt, die deutlich weniger Dunkle Materie enthielten als sie eigentlich dürften. „Die Anzahl der Veröffentlichungen, die Unvereinbarkeiten zwischen Beobachtungen und dem Paradigma der Dunklen Materie aufzeigen, nimmt jedes Jahr zu“, sagt Koautor Pavel Kroupa von der Universität Bonn.

Verformte Zwerggalaxien

Einen weiteren dieser Widersprüche haben nun Kroupa, Erstautorin Elena Asencio und ihre Kollegen aufgedeckt. Ausgangspunkt ihrer Studie waren Beobachtungen im rund 60 Millionen Lichtjahre entfernten Fornax-Galaxienhaufen – einer Ansammlung einiger größerer und vieler kleiner Galaxien. Viele dieser Zwerggalaxien zeigen Verformungen, die auf starke Gezeitenkräfte von benachbarten Galaxien hinweisen. Der Schwerkrafteinfluss dieser Nachbarn hat teilweise lange Schweife aus den Zwerggalaxien ausgezogen.

„Solche Störungen in den Fornax-Zwergen erwartet man nach dem Standardmodell nicht“, erklärt Kroupa. „Nach diesem Modell müssten die Halos aus Dunkler Materie die Zwerge größtenteils vor den Gezeiten des Haufens schützen.“ Aber reicht die beobachtete Verformung der Fornax-Zwerggalaxien schon aus, um der gängigen Theorie zu widersprechen? Das haben die Astronomen nun mithilfe einer Computersimulation untersucht.

Dafür verglichen Asencio und ihr Team die Beobachtungsdaten für gut 450 Fornax-Zwerggalaxien mit den Verformungen, die ein Computermodell dieser Galaxien entweder unter den Gesetzmäßigkeiten der kalten Dunklen Materie (λCDM) oder aber dem ohne Dunkle Materie auskommenden Modell der Milgromschen Dynamik (MOND). Nach diesem wirkt die Gravitation nicht linear, sondern wirkt bei sehr kleinen Beschleunigungen, wie sie in Galaxien vorherrschen, stärker.

Widerspruch zum Dunkle-Materie-Modell

Das Ergebnis: Nach dem gängigen Modell der Dunklen Materie müssten die Galaxien weniger stark durch Gezeitenkräfte verformt und zerstört werden als es die Beobachtungen nahelegen. „Sie müssten von den Cluster-Gezeiten nahezu unberührt bleiben – entgegen den beobachteten Indizien für gezeitenbedingte Störungen“, berichten die Astronomen. Die für das Dunkle-Materie-Modell ermittelten Werte weichen ihren Berechnungen zufolge um mehr als fünf Standardabweichungen von den Beobachtungswerten ab.

Mit anderen Worten: Die Zwerggalaxien im Fornax-Haufen haben offenbar so gut wie keine Dunkle Materie in ihrem Halo. „Unsere Ergebnisse zeigen damit, dass das Paradigma der kalten Dunklen Materie in starkem Widerspruch zu den gestörten Galaxien im Fornax-Haufen steht“, konstatieren Asencio und ihre Kollegen. Diese Unvereinbarkeit blieb selbst dann erhalten, als die Astronomen die angenommene Dichte der Dunklen Materie in diesen Galaxien stark verringerte.

MOND-Modell: Nicht perfekt, aber besser

Deutlich weniger Diskrepanzen gab es hingegen im Modell der Milgromschen Dynamik (MOND). „Wir waren uns nicht sicher, ob die Zwerggalaxien in der Lage sein würden, die extreme Umgebung eines Galaxienhaufens in MOND zu überleben, da es in diesem Modell keine schützenden Halos aus Dunkler Materie gibt“, sagt Koautor Indranil Banik von der University of St. Andrews. „Aber unsere Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen den Beobachtungen und den MOND-Erwartungen für das Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge.“

Zwar waren die Zwerggalaxien im MOND-Modell etwas anfälliger für Gezeitenkräfte als in der Realität, die Abweichung war jedoch weit geringer als beim Dunkle-Materie-Modell. „MOND schnitt in all unseren Tests deutlich besser ab als das gängige Modell der kalten Dunklen Materie“, konstatieren die Astronomen. Auch wenn die alternative Theorie einer nicht linearen Gravitation bisher nicht alle kosmischen Phänomene erklären kann, scheint sie zumindest bei den Zwerggalaxien gut zu passen.

Es sei nicht das erste Mal, dass Beobachtungen besser dadurch erklärt werden können, dass die Galaxien nicht von Dunkler Materie umgeben sind. „Es ist an der Zeit, deutlich mehr Ressourcen in andere Theorien zu investieren“, sagt Kroupa. (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2022; doi: 10.1093/mnras/stac1765)

Quelle: MNRS, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn