Rätsel um „undunkle“ Galaxien vertieft sich

Eigentlich unmöglich: Astronomen haben erneut eine Galaxie entdeckt, die auch bei genauerem Nachmessen keine Dunkle Materie zu enthalten scheint. Ihre Masse und Rotation sind allein mit der „normalen“ Materie aus Gas und Sternen erklärbar. Das aber widerspricht den gängigen Modellen zur Galaxienbildung und auch dem etablierten kosmologischen Modell der kalten Dunklen Materie, wie das Team erklärt. Warum es diese „undunklen“ Galaxien trotzdem gibt und wie sie zustande kamen, ist weiterhin rätselhaft.

Gängiger Theorie nach werden alle Galaxien von einem unsichtbaren „Kitt“ zusammengehalten – der Dunklen Materie. Ihre Schwerkraft prägt die Rotation der Galaxien, bestimmt ihre Struktur und ihre Masse. Doch in den letzten Jahren haben Astronomen einige Galaxien entdeckt, die nicht ins gängige Bild passen. Denn diese ultradiffusen Galaxien sind nicht nur für ihre Größe ziemlich sternenarm, ihnen scheint auch der übliche Anteil Dunkler Materie zu fehlen, wie mehrfache Beobachtungen nahelegten.

Widerspruch zur Theorie

Doch wie kann das sein? Nach gängigen Modellen ist Dunkle Materie nötig, damit Galaxien entstehen und zusammenhalten können. „Nach unserer aktuellen Vorstellung der Galaxienbildung erwarten wir, dass jede Galaxie in einen Halo aus kalter Dunkler Materie eingebettet ist“, erklären Pavel Mancera Piña von der Universität Groningen und seine Kollegen. In der Milchstraße ist der Effekt der Dunklen Materie sogar an der Bewegung ihres zentralen Balkens ablesbar.

Die „undunklen“ Galaxien wiedersprechen all dem jedoch – unter anderem deshalb gibt es immer wieder Zweifel daran, ob diese Galaxien wirklich so wenig oder gar keine Dunkle Materie besitzen. Das war auch bei sechs ultradiffusen Galaxien der Fall, die Piña und sein Team im Jahr 2019 entdeckt haben. „Ihr messt besser nochmal nach, dann werdet ihr sehen, dass es doch Dunkle Materie um eure Galaxie gibt“, hieß es damals.

Nachmessung bei Galaxie AGC 114905

Genau das haben Piña und sein Team nun getan: Sie richteten die Radioantennen des Very Large Array in New Mexico auf eine der sechs, die 250 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie AGC 114905. Aus den Daten von 40 Beobachtungsstunden ermittelten die Forscher die Rotationgeschwindigkeit der Galaxie in unterschiedlichen Entfernungen vom Zentrum und die Masse der Galaxie. Aus den früheren Messungen war schon bekannt, dass AGC 114905 etwa so groß ist wie die Milchstraße, aber rund tausendmal weniger Sterne enthält.

Die Auswertungen bestätigten die früheren, weniger hochauflösenden Messungen: Die diffuse Galaxie AGC 114905 enthält ungewöhnlich wenig Dunkle Materie und scheint auch keinen von ihr dominierten Halo zu besitzen. Stattdessen lässt sich die Rotationgeschwindigkeit der Galaxie selbst in ihren Außenregionen nahezu vollständig durch die Masse der sichtbaren Materie in Form von Gas und Sternen erklären, wie die Astronomen berichten.

Diskrepanz bleibt – auch zum kosmologischen Modell

„Das ist zwar das, was wir erhofft und auch erwartet haben“, sagt Piña. „Aber es bleibt das Problem, dass die Theorie zwar sagt, dass es in AGC 114905 Dunkle Materie geben muss, unsere Beobachtungen aber das Gegenteil zeigen.“ Das bestätigten auch ergänzende Simulationen, in denen das Team versuchte, ihre Galaxie auf Basis des etablierten kosmologischen Modells der kalten Dunklen Materie (CDM) zu reproduzieren.

Das Ergebnis dabei: Nach der geltenden CDM-Kosmologie dürfte es Galaxien wie AGC 114905 schlicht nicht geben. „Schon eine Galaxie mit den Eigenschaften von AGC 114905 ist im CDM-Universum praktisch unmöglich“, schreiben die Astronomen. „Um das Geschwindigkeitsprofil zu reproduzieren, müssen wir extreme Parameterwerte einführen, die weit jenseits des üblichen Rahmens liegen.“ Die Tatsache, dass das Team noch fünf weitere, wenn auch etwas weniger extreme Galaxien dieser Art entdeckt habe, mache es noch unwahrscheinlicher.

Keine der gängigen Erklärungen passt

Wie aber lassen sich diese Galaxien dann erklären? Für einige der anderen „undunklen“ Zwerggalaxien vermuten Astronomen, dass ihnen bei einer Kollision oder nahen Begegnung mit einer anderen Galaxie die Dunkle Materie entrissen worden ist. Solche Schwerkraft-Interaktionen könnten vor allem in dichten Galaxienhaufen vorkommen. Im Falle von AGC 114905 gibt es aber keinerlei Indizien dafür, dass diese isoliert stehende Galaxie einst Teil eines solchen Haufens war, wie Piña und seine Kollegen erklären.

Auch eine Wechselwirkung mit Kugelsternhaufen oder sehr weit zurückliegenden Galaxienbegegnungen ließ sich anhand der kosmischen Umgebung von AGC 114905 nicht bestätigen. Und selbst ein alternatives Modell zur Dunklen Materie, die Modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND), konnte in Modellrechnungen das Rotationsverhalten der Galaxie nicht reproduzieren.

Eine weitere denkbare Erklärung könnte sein, dass die Astronomen den Winkel falsch gemessen haben, in dem die Galaxie steht. Doch um die gemessenen Rotationswerte und Massen mit dem CDM- oder MOND-Modell zu versöhnen, wäre eine Messabweichung von rund 20 Grad nötig, wie Piña und sein Team ermittelten. „Eine solche Diskrepanz liegt um den Faktor sechs bis sieben höher als die nominelle Unsicherheit unserer Messungen“, erklären sie. Ein Messfehler sei daher extrem unwahrscheinlich.

Das Rätsel bleibt

Nach Ansicht der Wissenschaftler demonstriert ihre Studie damit, dass Galaxien mit keiner oder sehr wenig Dunkler Materie sehr wohl existieren. Sie sind bereits dabei, auch die anderen ultradiffusen Galaxien ihrer früheren Studie noch einmal mit der besseren Auflösung des Very Large Array nachzumessen. Schon jetzt lege der Fund mehrerer sehr ähnlicher Galaxien aber nahe, dass sie real sind und nicht auf bloßen Messfehlern beruhen.

„Die Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtung ist damit nur noch größer geworden“, sagt Piña. „Der Ursprung und die Entwicklung dieser Galaxien bleibt weiterhin ein Rätsel.“ (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, accepted; arXiv:2112.00017)

Quelle: Netherlands Institute for Radio Astronomy, Royal Astronomical Society