Galaxy X: Die dunkle Galaxie, die es nicht gibt

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

Vor zehn Jahren hatten zwei Astronomen 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 heute als Galaxy 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 für die meisten Modelle des Universums erhebliche Auswirkungen haben würde, gab es nur indirekte Hinweise auf Galaxy X, und die meisten Astronomen waren nicht überzeugt. Im Jahr 2015 gab die Gruppe jedoch an, vier Sterne entdeckt zu haben, die genau in der Mitte saßen, in der 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 eine interessante Wendung, und ab 2019 gibt es 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, dass Sie bei mir bleiben, wenn ich erforsche, was dunkle Galaxien sind, warum Galaxy X eine so ansprechende Idee war und eine wichtige Lektion zum 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 zu beiden Seiten des galaktischen Zentrums, wo wir keine zuverlässigen Entfernungsmessungen erhalten können. Beachten Sie die Asymmetrie beim Verziehen sowie kleinere Störungen.

Seit den 1950er Jahren wissen Astronomen, dass die Scheibe der Milchstraße nicht flach, sondern verzogen ist. An einigen Stellen ist dieses Verziehen ziemlich dramatisch und hat 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 kleinräumiger Verzerrungsmerkmale benötigt werden. 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 unter der Annahme einer Subhalogenmasse von etwa 1% der Milchstraße und eines perizentrischen Abstands von 5 kpc die HI-Jakobsmuscheln ziemlich gut reproduzieren konnten.

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

Insbesondere die Wirkung des Subhalos sollte sich nach der Annäherung deutlich ausbreiten. Das zeitnahe Ausführen 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 Sphärische Galaxie der Zwerge des Schützen aus, es sei denn, frühere Berechnungen ihrer Umlaufbahnen stimmen nicht, und 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. Es deutet darauf hin, dass der Kosmos zusätzlich zur 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 der Rotationskurven von Galaxien, aber es ist nicht perfekt.

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

Eine der Hauptschwierigkeiten ist das Problem der fehlenden Satelliten, das in den 90er Jahren auftrat. Simulationen von Galaxiengruppen wie unserer eigenen (siehe Klypin et al. 1999) sagten die Bildung von Satellitengalaxien wie den Magellanschen Wolken als reichlich Dunkle-Materie-Subhalos voraus. Während wir in der lokalen Gruppe und darüber hinaus viele Satellitengalaxien gefunden haben, sagen Simulationen voraus, dass es noch viel mehr geben sollte - manchmal in der Größenordnung.

Ein Green Bank Telescope-Bild von Smiths 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, die sich in Hochgeschwindigkeitswolken verwandeln, die wiederholt mit der galaktischen Scheibe kollidieren. Eine andere Erklärung ist, dass die fehlenden Subhalos immer noch existieren, jedoch nur als sogenannte dunkle Galaxien, Objekte, die von dunkler Materie und schwachem Gas dominiert werden. Ihre Sternentstehung wäre entweder durch Supernova-Winde, die Gas in den intergalaktischen Raum beförderten, oder durch ionisierende Strahlung, die das Kollabieren von Molekülwolken verhinderte, gelöscht worden. Beide Szenarien sollten kleine Populationen von Sternen gebildet haben, aber nicht in erheblichen 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 den wenigen einsamen Sternen, 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 Koma-Cluster.

Abbildung 1, van Dokkum et al. 2016. Dragonfly 44, ein Kandidat für eine dunkle Galaxie, ist sehr schwach, selbst in diesen Bildern, die G- und I-Band-Daten kombinieren.

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. Entgegen der Vermutung taten Chakrabarti, Blitz und Mitarbeiter nach Jahren des Modellierens genau das und behaupteten, vier variable Sterne entdeckt zu haben, an denen sie glaubten, dass ihre dunkle Galaxie sein sollte.

Aber es gab einen Haken.

Wie sie es (fast) fanden

Paradoxerweise sind einige der besten Objekte für die Entfernungsmessung im Universum diejenigen, deren Helligkeit sich ändert: Cepheid-Variablen, eine Art variabler Stern, der über Tage 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 unglaublich praktisch in der extragalaktischen Astronomie 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) entschied sich, an Orten am Himmel nahe der galaktischen Scheibe nach Cepheiden zu suchen. Sie verwendeten Ks-Band-Infrarotdaten der VISTA-Variablen der Via Lactea (VVV) der Europäischen Südsternwarte, um rote Klumpensterne und heiße rote Riesen zu finden. Eine Kachel mit Bildern zeigte nicht eine, sondern vier Cepheid-Variablen, die innerhalb eines Quadratzolls zusammengefasst waren - eine unwahrscheinliche Änderung der Ausrichtung. Mit Zeiträumen von 3,4 bis 13,9 Tagen konnte die Gruppe eine 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 am Boden beobachtet. Beachten Sie, dass die Datenpunkte nur ungefähr einen Zeitraum lang gültig sind. Sie werden einfach mehrmals geplottet. Außerdem ist die Kurve des vierten Sterns nicht sehr glatt oder sinusförmig.

Es wäre höchst ungewöhnlich, eine einzelne 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 Gezeitenabfälle von beispielsweise der Sagittarius-Zwerg-Sphäroidal-Galaxie oder der Großen Magellanschen Wolke handelte, 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 Helligkeitsunterschiede nur ein vorübergehendes Phänomen wären - und 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 den I-Band-Beobachtungen des OGLE Galaxy Variability Survey (OGLE GVS) zu. OGLE GVS hat drei der vier Sterne mit den Bezeichnungen S1, S2 und S3 eingefangen. Nach der Ergänzung der Daten durch zusätzliche I-Band-Bildgebung von S2 und S3 gelangte das Team zu einem anderen Ergebnis: Keiner der Sterne war ein Cepheid.

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

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, die von der ersten Gruppe gemessen wurden. Pietrukowicz et al. argumentierte, dass S3 tatsächlich eine andere Art von Stern ist: eine RS Canum Venaticorum-Variable, ein binärer Stern, bei dem eine Komponente markante Sternflecken anzeigt, die sich mit 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 imitieren können. Die Amplitude und Periode der Variationen des S3 passen perfekt.

Die Erklärung des Sternpunkts für S3 wurde durch die Tatsache gestützt, dass seine I-Band-Lichtkurve nicht wie die einer Cepheid aussah - eine Diskrepanz, die auch die ursprünglichen Beobachtungen von S4 zeigten. Zusammenfassend kam die Gruppe zu dem Schluss, dass die vier Sterne mit ziemlicher Sicherheit keine Cepheid-Variablen waren, und daher sollten die Messungen der Entfernung der dunklen Galaxie vollständig verworfen werden.

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

Die neue Veröffentlichung hob die einzigen angeblichen direkten Beobachtungen von Galaxy X auf. Dies war zwar kein Beweis dafür, dass das Objekt nicht existiert, aber ein schwerwiegender Schlag für die Theorie, die jetzt nur von den früheren Simulationen gestützt wurde. Auch diese waren nicht unbedingt überzeugend, denn sie waren nur eine von mehreren möglichen Erklärungen für das Verziehen der Milchstraßenscheibe.

Seit 2015 hat keine Gruppe Beobachtungsnachweise für die mutmaßliche dunkle Galaxie erbracht. Abgesehen von der Entdeckung von Objekten in dieser Entfernung und galaktischen Länge scheint es unwahrscheinlich, dass es überhaupt existiert. Astronomen haben natürlich noch viele andere Kandidaten für dunkle Galaxien zu studieren - Dragonfly 44, die HI-Region VIRGOHI21 und einige andere -, aber keine hat klinische Beweise erbracht. Dunkle Galaxien bleiben vorerst hypothetisch, wichtige, aber bisher unentdeckte Bewohner des Universums.