Galaxy X: Die dunkle Galaxie, die es nicht gibt

Astronomen hätten fast eine riesige Satellitengalaxie aus dunkler Materie entdeckt. Fast.

Vor zehn Jahren hatten zwei Astronomen an der University of California in Berkeley eine mutige Idee. Basierend auf n-Körpersimulationen und Funkbeobachtungen der Scheibe der Milchstraße schlugen sie vor, dass fast 300.000 Lichtjahre entfernt eine Zwerggalaxie liegt, die jetzt als Galaxie X bekannt ist. Dieser Satellit der Milchstraße wäre das erste bestätigte Mitglied einer Hypothese Klasse von Objekten, die als dunkle Galaxien bezeichnet werden und fast ausschließlich aus dunkler Materie bestehen.

Während die Existenz dunkler Galaxien erhebliche Auswirkungen auf die meisten Modelle des Universums haben würde, gab es nur indirekte Hinweise auf Galaxy X, und der größte Teil der astronomischen Gemeinschaft war nicht überzeugt. Im Jahr 2015 gab die Gruppe jedoch an, vier Sterne entdeckt zu haben, die genau in der Mitte des Ortes saßen, an dem sie die Galaxie vorhergesagt hatten. Plötzlich gab es zwingenden Grund zu der Annahme, dass diese dunkle Galaxie real war.

Später in diesem Jahr nahmen die Dinge jedoch eine interessante Wendung, und ab 2019 haben wir keine direkten Beobachtungsnachweise mehr für eine dunkle Galaxie, die die Milchstraße umkreist. Daher schreibe ich zum ersten Mal über ein wirklich faszinierendes Objekt, das es nicht gibt. Ich hoffe, Sie bleiben bei mir, wenn ich erforsche, was dunkle Galaxien sind, warum Galaxy X eine so ansprechende Idee war und eine wichtige Lektion über das Studium variabler Sterne.

Wir leben in einer Galaxie von Jakobsmuscheln

2, Levine et al. 2006. Eine Karte der mittleren Höhe der Gasscheibe der Milchstraße. Die weißen Bereiche befinden sich auf beiden Seiten des galaktischen Zentrums, wo wir keine zuverlässigen Entfernungsmessungen erhalten können. Beachten Sie die Asymmetrie in der Verzerrung sowie kleine Störungen.

Seit den 1950er Jahren wissen Astronomen, dass die Scheibe der Milchstraße nicht flach, sondern verzogen ist. An einigen Stellen ist diese Verzerrung ziemlich dramatisch, mit Auswirkungen in der Größenordnung von einem Kiloparsec. Ein Großteil unseres Verständnisses der Form der Scheibe beruht auf Beobachtungen von neutralem Wasserstoff (HI) unter Verwendung der 21-cm-Linie (siehe z. B. Levine et al. 2006). Zusätzlich zu dieser Verzerrung gibt es in einigen Regionen auch lokalisierte Störungen, die manchmal als Jakobsmuscheln bezeichnet werden. Es ist möglich, dass intergalaktische Magnetfelder oder das intergalaktische Medium diese Störungen verursachen. Eine weitere attraktive Option sind Gezeitenkräfte von Satellitengalaxien.

Eine Gruppe in Berkeley (Chakrabarti et al. 2009) war daran interessiert, die Art von Satelliten zu untersuchen, die zur Erklärung einiger kleiner Warping-Merkmale erforderlich wäre. Sie modellierten eine milchstraßenähnliche Galaxie mit einer exponentiellen Scheibe aus Gas und Sternen sowie einem Halo aus dunkler Materie. Sie fügten einen kleineren Klumpen dunkler Materie hinzu - einen Subhalo - und schickten ihn auf eine parabolische Umlaufbahn. Es stellte sich heraus, dass sie bei einer Subhalomasse von etwa 1% der Milchstraße und einem perizentrischen Abstand von 5 kpc die HI-Jakobsmuscheln ziemlich gut reproduzieren konnten.

Abbildung 1, Chakrabarti & Blitz 2009. Diese mit 100E0R5 bezeichnete Simulation zeigt Störungen der Oberflächendichte während und nach dem Durchgang eines Subhalos der dunklen Materie mit einem perizentrischen Abstand von 5 kpc. Der Satellit nähert sich im zweiten Frame am nächsten bei 0,299 Gyr, und der heutige Tag liegt bei 0,600 Gyr.

Insbesondere sollten sich die Wirkungen des Subhalos weit nach der Annäherung erstrecken. Das zeitliche Vorwärtslaufen der Simulationen zeigte, dass die simulierte Störung mit dem übereinstimmen sollte, was wir heute sehen, wenn der Störer jetzt etwa 90 kpc entfernt war. Die genaue Position schloss sowohl die große Magellansche Wolke als auch die kugelförmige Schütze-Zwerg-Galaxie aus, es sei denn, frühere Berechnungen ihrer Umlaufbahnen sind ungenau. Da dies die einzigen Satelliten sind, die groß genug sind, muss irgendwo eine dunkle Satellitengalaxie lauern: eine dunkle Galaxie.

Warum sind dunkle Galaxien so dunkel?

Eine der Säulen der zeitgenössischen Kosmologie ist das ΛCDM-Modell des Universums. Dies legt nahe, dass der Kosmos zusätzlich zu der regulären Materie um uns herum von dunkler Energie (Λ) und kalter dunkler Materie (CDM) dominiert wird. Das ΛCDM-Modell war außerordentlich erfolgreich bei der Erklärung von Phänomenen wie der Expansion des Universums und den Rotationskurven von Galaxien, aber es ist nicht perfekt.

Abbildung 2, Klypin et al. 1999. Ein Rahmen aus einer Simulation dunkler Materie in einer Galaxiengruppe wie der lokalen Gruppe, die von zwei massiven Lichthöfen dominiert wird - der Andromeda-Galaxie und der Milchstraße.

Eine der größten Gefahren ist das Problem der fehlenden Satelliten, das in den neunziger Jahren offensichtlich wurde. Simulationen von Galaxiengruppen wie unserer (siehe Klypin et al. 1999) sagten die Bildung von Satellitengalaxien wie den Magellanschen Wolken als viele Subhalos der Dunklen Materie voraus. Während wir viele Satellitengalaxien in der lokalen Gruppe und darüber hinaus gefunden haben, sagen Simulationen voraus, dass es viel mehr geben sollte - manchmal um eine Größenordnung.

Ein Green Bank Telescope-Bild von Smith's Cloud, einer Hochgeschwindigkeitswolke, die mit der Milchstraße kollidiert. Bildnachweis: Bill Saxton, NRAO / AUI / NSF, unter der Creative Commons Attribution 3.0 Unported-Lizenz.

Es wurden mehrere Lösungen vorgeschlagen. Zum Beispiel ist es möglich, dass einige Satellitengalaxien durch Gezeitenkräfte auseinandergerissen werden und sich in Hochgeschwindigkeitswolken verwandeln, die wiederholt mit der galaktischen Scheibe kollidieren. Eine andere Erklärung ist, dass die fehlenden Subhalos immer noch existieren, aber nur als sogenannte dunkle Galaxien, Objekte, die von dunkler Materie und schwachem Gas dominiert werden. Ihre Sternentstehung wäre entweder durch Supernovae-Winde, die Gas in den intergalaktischen Raum ausstießen, oder durch ionisierende Strahlung, die das Zusammenfallen von Molekülwolken verhinderte, gelöscht worden. Jedes Szenario sollte kleine Populationen von Sternen gebildet haben, jedoch nicht in signifikanten Mengen, und dunkle Materie sollte im Allgemeinen immer noch über Gas, Staub und baryonische Materie dominieren.

Die Suche nach dunklen Galaxien ist keine leichte Aufgabe. Astronomen können versuchen, sie indirekt zu erkennen, indem sie nach Gravitationslinsen oder Störungen auf anderen Galaxien suchen. Diese Effekte sind jedoch wahrscheinlich nicht offensichtlich. Glücklicherweise sind dunkle Galaxien keine reine dunkle Materie, und durch Beobachtung von Gaswolken oder der wenigen einsamen Sterne, die sie beherbergen, können Astronomen versuchen, diese dunklen Objekte zu finden. Die Suche hat in den letzten Jahren einige unbestätigte Kandidaten hervorgebracht, insbesondere Dragonfly 44 im Coma Cluster.

Abbildung 1, van Dokkum et al. 2016. Dragonfly 44, eine mögliche dunkle Galaxie, ist selbst in diesen Bildern, in denen G- und I-Band-Daten kombiniert werden, sehr schwach.

Das Galaxy X ist angeblich nur 90 kpc entfernt, was es zu einem Hauptziel für diese Art von Technik macht. Selbst wenn seine Masse nur 1% der der Milchstraße beträgt und selbst wenn der größte Teil dieser Masse in Form von dunkler Materie vorliegt, sollten hier und da noch einige Sterne verstreut sein. Alles was bleibt ist, sie zu finden. Trotz jahrelanger Modellierung haben Chakrabarti, Blitz und Mitarbeiter genau das getan und behauptet, vier variable Sterne entdeckt zu haben, von denen sie dachten, dass ihre dunkle Galaxie sein sollte.

Aber es gab einen Haken.

Wie sie es (fast) gefunden haben

Paradoxerweise sind einige der besten Objekte zur Messung der Entfernung im Universum diejenigen, deren Helligkeit sich ändert: Cepheid-Variablen, eine Art variabler Stern, der über Zeiträume von Tagen oder Wochen anschwillt und sich zusammenzieht. Ihre Perioden stehen in direktem Zusammenhang mit ihrer Leuchtkraft. Wenn Sie also die Periode einer Cepheid und ihre scheinbare Größe messen können, können Sie herausfinden, wie weit sie entfernt ist. Cepheiden sind in der extragalaktischen Astronomie unglaublich praktisch und wurden verwendet, um zu beweisen, dass sich das Universum ausdehnt und die Andromeda-Galaxie weit von der Milchstraße entfernt ist.

Die Galaxy X-Gruppe (Chakrabarti et al. 2015) beschloss, an Orten am Himmel in der Nähe der galaktischen Scheibe nach Cepheiden zu suchen. Sie verwendeten Ks-Band-Infrarotdaten aus der VISTA-Variablen der Via Lactea (VVV) -Erhebung des European Southern Observatory, um rote Klumpensterne und heiße rote Riesen zu finden. Eine Kachel mit Bildern zeigte nicht eine, sondern vier Cepheid-Variablen, die innerhalb eines Quadratgrads gruppiert waren - eine unwahrscheinliche Änderung der Ausrichtung. Mit Zeiträumen zwischen 3,4 und 13,9 Tagen konnte die Gruppe die Entfernung von 92, 100, 73 und 91 kpc berechnen - ungefähr die Entfernung ihrer hypothetischen dunklen Galaxie.

2, Chakrabarti et al. 2015. Ks-Band-Lichtkurven der vier variablen Sterne des Bodens beobachtet. Beachten Sie, dass die Datenpunkte nur etwa einen Zeitraum lang sind. Sie werden einfach mehrmals gezeichnet. Außerdem ist die Kurve des vierten Sterns nicht sehr glatt oder sinusförmig.

Es wäre höchst ungewöhnlich, eine einzige Cepheid-Variable so weit von der galaktischen Scheibe entfernt zu sehen, geschweige denn vier. Es war auch unwahrscheinlich, dass es sich bei den Sternen um Gezeitenreste handelte, beispielsweise von der Schützen-Zwerg-Sphäroid-Galaxie oder der Großen Magellanschen Wolke, da diese Objekte zwar ziemlich dramatisch mit der Milchstraße interagieren, aber nicht nah genug am Himmel sind. Wenn die Daten korrekt wären, könnten die Sterne auch ohne spektroskopische Messungen Teil einer neuen Galaxie sein.

Dies könnte ein enormer Schritt sein, um die Existenz von Galaxy X zu bestätigen. Das Problem war, dass sich die Gruppe nur auf einen einzigen Satz von Infrarotbeobachtungen stützte und nur über kurze Zeiträume, möglicherweise zu kurz, um zuverlässig zu sein. Was wäre, wenn die Helligkeitsschwankungen nur ein vorübergehendes Phänomen wären - und was wäre, wenn die Sterne überhaupt keine Cepheiden wären?

Diese Standardkerzen sind nicht so Standard

Später im Jahr 2015 bezweifelte eine andere Gruppe von Astronomen (Pietrukowicz et al. 2015) die Entfernungsmessungen, indem sie behauptete, die Sterne seien doch keine klassischen Cepheiden. Sie wandten sich I-Band-Beobachtungen aus dem OGLE Galaxy Variability Survey (OGLE GVS) zu. OGLE GVS hat drei der vier Sterne mit den Bezeichnungen S1, S2 und S3 eingefangen. Nachdem das Team die Daten durch zusätzliche I-Band-Bilder von S2 und S3 ergänzt hatte, kam es zu einem anderen Ergebnis: Keiner der Sterne waren Cepheiden.

Abbildung 2, Pietrukowicz et al. 2015. Neue I-Band-Lichtkurven für die ersten drei Sterne zeigen keine Periodizität für zwei Kandidaten und un-Cepheid-ähnliche Variationen im dritten.

S1 und S2 zeigten keinerlei signifikante Variation, und während S3 in einem Zeitraum von 5,695 oder 11,39 Tagen in der Helligkeit zu schwingen schien, war die Amplitude der Schwingungen größer als die von der ersten Gruppe gemessenen. Pietrukowicz et al. argumentierte, dass S3 tatsächlich eine andere Art von Stern ist: eine RS Canum Venaticorum-Variable, ein Doppelstern, in dem eine Komponente markante Sternflecken anzeigt, die sich im Laufe der Zeit ändern, wenn sich der Stern dreht. Eine Reihe von bestätigten RS Cvn-Variablen weisen ähnliche Lichtkurven auf, und die Gruppe zeigte, dass sie Cepheid-Pulsationen nachahmen können. Die Amplitude und Periode der Variationen des S3 passen perfekt zusammen.

Die Starspot-Erklärung für S3 wurde durch die Tatsache gestützt, dass die I-Band-Lichtkurve nicht viel wie die einer Cepheid aussah - eine Diskrepanz, die auch die ursprünglichen S4-Beobachtungen zeigten. Kurz gesagt, die Gruppe schloss daraus, dass die vier Sterne mit ziemlicher Sicherheit keine Cepheid-Variablen waren und daher die Messungen der Entfernung der dunklen Galaxie vollständig weggeworfen werden sollten.

7, Pietrukowicz et al. 2015. Selbst die Amplituden der Variationen von S3 stimmen nicht mit denen der Cepheiden in der Milchstraße oder den Magellanschen Wolken überein, und ihre Periode ist verdächtig lang.

Das neue Papier hob die einzigen vermeintlichen direkten Beobachtungen von Galaxy X auf. Dies war zwar kein Beweis dafür, dass das Objekt nicht existiert, aber es war ein schwerer Schlag für die Theorie - die jetzt nur durch die früheren Simulationen unterstützt wurde. Auch diese waren nicht unbedingt überzeugend, da sie nur eine von vielen möglichen Erklärungen für das Verziehen der Milchstraßenscheibe waren.

Seit 2015 hat keine Gruppe Beobachtungsnachweise für die mutmaßliche dunkle Galaxie erbracht. Wenn keine Objekte in dieser Entfernung und in dieser galaktischen Länge entdeckt werden, ist es unwahrscheinlich, dass sie überhaupt existieren. Astronomen haben natürlich viele andere Kandidaten für dunkle Galaxien zu studieren - Dragonfly 44, die HI-Region VIRGOHI21 und einige andere -, aber keiner hat klinische Beweise erbracht. Dunkle Galaxien bleiben vorerst hypothetisch, wichtig, aber bisher unentdeckte Bewohner des Universums.