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Seltsame Galaxie : Wo ist die Dunkle Materie?

Eine Galaxie, die so diffus ist, dass man durch sie hindurch schauen kann: NGC 1052-DF2, eine Galaxie, die offenbar ohne Dunkle Materie auskommt. Bild: Reuters

Galaxien werden von Dunkler Materie dominiert – das gilt zumindest für diejenigen, die man bisher kannte. Nun sorgt aber eine überraschende Entdeckung einer Gruppe von Astronomen für Aufsehen.

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          Es ist nach wie vor die wohl ernüchterndste Tatsache des kosmologischen Standardmodells: Rund 95 Prozent des Energie- und Materiegehalts unseres Universums sind grundsätzlich anders als alles, was wir kennen und verstehen. Die dahinterstehenden Phänomene, Dunkle Energie und Dunkle Materie, sind im Rahmen dieses Modells aber notwendige Voraussetzungen dafür, dass überhaupt Strukturen wie Sterne und Galaxien im All entstehen konnten. So legen kosmologische Simulationen nahe, dass die Gravitation der Dunklen Materie dafür verantwortlich war, dass Dichtefluktuationen, die in der Frühphase des Universums existierten, weiter anwachsen konnten und schließlich diejenigen großskaligen Strukturen bildeten, die heute anhand der Verteilung sichtbarer Materie beobachtet werden können.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Entsprechend erwartet man, dass sich Galaxien in Umgebungen Dunkler Materie befinden: sogenannten Halos. Diese Erwartung deckt sich mit Beobachtungen der Bewegung von Gas und Sternen in Galaxien, die anhand des Gravitationsgesetzes auf die Massenverteilung der Galaxie schließen lassen. Tatsächlich waren solche Beobachtungen naher Galaxien in den späten sechziger Jahren ein Anlass dafür, von der Existenz Dunkler Materie auszugehen, da die Kraft der sichtbaren Materie nicht ausreichte, die Sterne auf ihren beobachteten Bahnen zu halten. Große Himmelsdurchmusterungen haben seitdem ergeben, dass im Halo von Galaxien ähnlich unserer Milchstraße rund dreißigmal mehr Dunkle Materie existiert als diejenige Materie, die in Sternen gebunden ist. Bei kleineren und größeren Galaxien ist das Missverhältnis noch stärker ausgeprägt.

          Simulationen gehen davon aus, dass den Strukturen sichtbarer Materie  Dunkle Materie zugrunde liegt. Hier eine Simulation des Illustris TNG Projekts, das Gas (blau) und Klumpen Dunkler Materie (orange/weiß) zeigt.

          Vor diesem Hintergrund ist überaus erstaunlich, dass eine Gruppe von Astronomen um Pieter van Dokkum von der Universität Yale in „Nature“ nun die Entdeckung einer Galaxie vermeldet, die überhaupt keinen Halo aus Dunkler Materie zu besitzen scheint. Die Galaxie NGC1052-DF2, kurz DF2, war den Forschern angesichts ihrer ungewöhnlichen Erscheinung aufgefallen: In Hinsicht auf Größe und Oberflächenhelligkeit ähnelt sie bekannten elliptischen Zwerggalaxien. Allerdings ist sie sehr viel weiter entfernt und muss daher deutlich ausgedehnter sein als die ihr ähnelnden Galaxien. Die Forscher nehmen an, dass sich DF2 rund 65 Millionen Lichtjahre entfernt in der Nähe der hellen elliptischen Galaxie NGC 1052 befindet. Ihre Größe würde demnach derjenigen unserer Milchstraße entsprechen, wobei sie gleichzeitig nur rund ein Prozent der Sterne unserer Galaxie enthält. DF2 ist aber nicht nur als diffuses Objekt zu beobachten, gleichzeitig ist eine Reihe kompakter Quellen zu erkennen, die Teil des Objekts zu sein scheinen.

          Das „Dragonfly“ Teleskop in New Mexico trug zur Entdeckung der eigenartigen Galaxie NGC1052-DF2 bei.

          Um mehr über die Natur der auffälligen Galaxie herauszufinden, beobachteten die Wissenschaftler DF2 sowohl mit dem 10-Meter-Teleskop des hawaiianischen W.-M.-Keck-Observatoriums als auch mit dem Weltraumteleskop Hubble. Auf der Grundlage der gemessenen Oberflächenhelligkeit konnten die Forscher zunächst die Masse der in der Galaxie enthaltenen Sterne abschätzen. Spektren von zehn der kompakten Quellen – von den Wissenschaftlern als Kugelsternhaufen interpretiert – gaben gleichzeitig Aufschluss über die Geschwindigkeiten dieser Objekte. Diese waren erheblich kleiner als für eine Galaxie dieser Größe und mit der beobachteten stellaren Masse erwartet. Tatsächlich stehen die Bewegungen der Kugelsternhaufen mit dem von der sichtbaren Materie erzeugten Gravitationsfeld im Einklang: Dunkle Materie ist gemäß der vorgestellten Analyse nicht notwendig, um die interne Dynamik von DF2 zu erklären. Die theoretisch zu erwartende Masse eines Halos aus Dunkler Materie liege 400-mal höher als der höchste mit den Messwerten noch vereinbare Wert, so die Autoren.

          Vor dem gängigen Bild der Galaxienentstehung, demgemäß die sichtbare Materie dem Kollaps Dunkler Materie folgt, wirft dieses Ergebnis die Frage auf, wie die Galaxie überhaupt entstanden sein kann. Die Astronomen bieten drei verschiedene Szenarien an. Erstens könne DF2 aus Gas geformt worden sein, das von Gezeitenkräften aus verschmelzenden Galaxien herausgeschleudert wurde. Zweitens wäre es möglich, dass die Materie der Galaxie von Winden des aktiven Kerns einer Nachbargalaxie mitgerissen worden sei. Drittens könne DF2 aus Gas bestehen, das von der benachbarten Galaxie angezogen wurde, aber sich – vielleicht unter dem Einfluss von Stoßwellen – verdichtete, bevor es die Nachbargalaxie erreichen konnte.

          Von der Frage der Entstehung von DF2 unabhängig könnte die Beobachtung wertvolle Hinweise für die Frage nach der Natur Dunkler Materie liefern. Die Tatsache, dass Galaxien offenbar nicht notwendig zusammen mit Dunkler Materie auftreten, könnte nach Ansicht der Autoren alternative Gravitationstheorien entkräften. Solche Theorien, wie die Modifizierte Newtonsche Dynamik, versuchen, Dunkle Materie dadurch überflüssig zu machen, dass deren mutmaßliche Wirkung durch eine Modifikation der Gravitationswirkung sichtbarer Materie erklärt wird. Galaxien ohne Dunkle Materie dürfe es demgemäß nicht geben. Die Astronomen versuchen nun, weitere Galaxien wie DF2 zu finden.

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