Astronomen sind verwirrt über ein mysteriöses dunkles Objekt mit einer Million Sonnenmassen, dessen innere Struktur sich nicht erklären lässt

Rätselhaftes Objekt mit einer Million Sonnenmassen weist Merkmale einer winzigen Galaxie auf – doch seine innere Struktur lässt sich nicht erklären

Ein internationales Team von Astronomen hat möglicherweise eine neue Art von unsichtbarem dunklen Objekt im fernen Universum entdeckt, das mit nichts zuvor Beobachtetem vergleichbar zu sein scheint. Das Objekt, dessen Masse etwa eine Million Mal so groß ist wie die unserer Sonne, wurde durch die subtilen Gravitationsverzerrungen entdeckt, die es auf den Bildern eines stark gelinsten Radiojets hinterlässt. Anhand einer neuen Analyse, die heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde, hat das Team verschiedene Modelle zur Struktur der Masse innerhalb des rätselhaften Objekts getestet, in der Hoffnung, dessen Natur zu entschlüsseln. Zu ihrer Überraschung schließen die Daten alle herkömmlichen Erklärungen aus. Sie deuten stattdessen auf ein extrem kompaktes Objekt hin, wie ein Schwarzes Loch oder einen dichten Sternkern, das in eine ausgedehnte Materiescheibe eingebettet ist, die bislang ebenfalls kein nachweisbares Licht auszusenden scheint.

Das Unsichtbare entdecken

Astronomen nutzen seit Langem das Phänomen des starken Gravitationslinseneffekts – die Ablenkung und Vergrößerung von Licht durch massereiche Objekte –, um unsichtbare Strukturen im Universum zu untersuchen. In vielen Fällen wirken diese Verzerrungen wie natürliche kosmische Mikroskope und enthüllen sonst nicht nachweisbare Konzentrationen an dunkler Materie – jener schwer fassbaren Substanz, von der man annimmt, dass sie den größten Teil der Masse in unserem Universum ausmacht. Durch die Analyse der Verzerrung des Hintergrundlichts können Wissenschaftler die Masse von dazwischenliegenden Objekten mit außerordentlicher Präzision kartieren, selbst wenn diese Objekte selbst gar kein Licht ausstrahlen.

Für ihre Analyse kombinierte das Team Radioteleskope aus aller Welt, darunter das Green Bank Telescope (GBT), das Very Long Baseline Array (VLBA) und das European Very Long Baseline Interferometric Network (EVN). Die Daten dieses internationalen Netzwerks von Radioteleskopen wurden am Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE) in den Niederlanden korreliert. Dadurch entstand ein virtuelles Super-Teleskop, das die Größe der Erde hatte und die präzisen Details der winzigen Gravitationslinsenverzerrungen erfasste, die durch das bisher unsichtbare Objekt mit geringer Masse verursacht wurden.

Dr. Simona Vegetti (MPA), Hauptautorin des heute in Nature Astronomy veröffentlichten Artikels, erklärte, wie schwierig die Modellierungsanalyse war: „Der Versuch, mithilfe des Gravitationslinseneffekts die Struktur eines so weit entfernten und massearmen Objekts zu entschlüsseln, war eine außerordentlich große Herausforderung und zugleich unglaublich spannend. Wir arbeiten mit Daten hoher Qualität und komplexen Modellen. Gerade als ich dachte, wir hätten es geschafft, überraschte uns das Objekt erneut mit seinen Eigenschaften. Diese Kombination aus Schwierigkeit und Mysterium macht dieses Objekt so faszinierend.“

Durch die Kombination der hohen Genauigkeit der Linsendaten mit ausgefeilten Analysewerkzeugen und einer enormen Rechenleistung gelang es Dr. Vegetti und ihrem Team, die Struktur des massearmen Objekts über einen großen Radiusbereich mit beispielloser Detailgenauigkeit zu charakterisieren. Vegetti fuhr fort: „Der zentrale innere Teil ist auffallend kompakt, was entweder mit einem Schwarzen Loch oder einem dichten stellaren Kern übereinstimmt, der überraschenderweise etwa ein Viertel der Gesamtmasse des Objekts ausmacht. Wenn wir uns jedoch vom Zentrum entfernen, flacht die Dichte des Objekts zu einer breiten, scheibenartigen Komponente ab. Dies ist eine Struktur, die wir bisher noch nie gesehen haben. Daher könnte es sich um eine neue Klasse von dunklen Objekten handeln.“

Ein mögliches Problem für Theorien zur Dunklen Materie 

In Bezug auf seine Gesamtgröße, Struktur und Masse könnte das Objekt zur Familie der ultrakompakten Zwerggalaxien mit einem ausgedehnten Sternhalo gehören. Dies sind seltene Systeme, die die Lücke zwischen massereichen Sternhaufen und kleinen Galaxien schließen. Das Team hat jedoch noch kein Licht von in das Objekt eingebetteten Sternen entdeckt. Selbst für diese Kategorie kompakter Galaxien ist die gemessene innere Struktur des Objekts höchst ungewöhnlich. Würde es stattdessen ausschließlich von dunkler Materie dominiert, würde seine seltsame Struktur nicht mit den Erwartungen der Astronomen übereinstimmen, wie solche dunklen Objekte aussehen sollten.

Prof. Simon White, emeritierter Direktor am MPA und Mitautor der Studie, sagte: „Unsere Standardvorstellung von der Entstehung kosmischer Strukturen sagt voraus, dass es viele sternenlose Klumpen dunkler Materie mit einer Millionfachen Masse der Sonne geben sollte. Aber sie sagt auch eine Struktur für sie voraus, die sich stark von dem unterscheidet, was wir hier gefunden haben, insbesondere ist sie viel weniger zentriert.

Obwohl die beobachteten Eigenschaften des Objekts dramatisch von den Vorhersagen des Standardmodells der kalten Dunklen Materie abweichen, welches einen Großteil unseres Verständnisses des Universums untermauert, gibt es eine spekulative Alternative: die Wechselwirkung der Dunklen Materie mit sich selbst. In einem solchen Szenario könnte das Objekt ein Halo aus dunkler Materie sein, dessen Zentrum kollabiert ist und in dem sich ein Schwarzes Loch gebildet hat. Es sind jedoch zusätzliche numerische Simulationen erforderlich, um zu testen, ob eine solche Theorie das beobachtete Dichteprofil des Objekts reproduzieren kann.

Dies ist das dritte Objekt dieser Art, das mit der sogenannten gravitativen Bildgebungsmethode identifiziert wurde. Es ist jedoch bei weitem das kleinste in Bezug auf die Masse und das erste, das so genau charakterisiert wurde. Alle drei Entdeckungen weisen Eigenschaften auf, die sich nur schwer in das Standardmodell der Dunklen Materie einfügen lassen. Die Identifizierung weiterer Beispiele wird entscheidend sein, um festzustellen, ob es sich bei diesen Systemen um seltene Ausreißer handelt oder ob sie erste Hinweise auf eine Physik jenseits des aktuellen Modells der Dunklen Materie liefern.

Mitautor Prof. John McKean fügte hinzu: „Wir hoffen, dass diese Entdeckung nur die erste von vielen ist, die mit hochauflösenden Radioteleskopen so detailliert untersucht werden können. Mit den laufenden großflächigen Himmelsdurchmusterungen und der ständig verbesserten Leistungsfähigkeit der Folgebeobachtungen mit hoher Winkelauflösung sollten wir bald in der Lage sein, eine ganze Population dieser schwer fassbaren Systeme mit geringer Masse zu entdecken, die uns sicherlich neue Erkenntnisse über unser Universum liefern werden.“

Zusätzliche Informationen 

Gravitationslinsen sind ein astrophysikalisches Instrument, mit dem Astronomen die Masseneigenschaften von Strukturen im Universum messen. Dies ist eine Folge von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, nach der Masse im Universum den Raum krümmt. Wenn die Masse des im Vordergrund liegenden Linsenobjekts (in der Regel eine Galaxie oder ein Galaxienhaufen) ausreichend groß ist, wird das Licht von entfernten Objekten verzerrt, sodass sogar mehrere Bilder zu sehen sind.

Very Long Baseline Interferometry: Die Radiobeobachtungen wurden mit einer Kombination von Radioteleskopen durchgeführt, die zu einem sogenannten Very Long Baseline Interferometer zusammengefasst wurden. Diese Beobachtungsmethode ermöglicht es Astronomen, die Bildschärfe der Daten zu verbessern und sehr kleine Helligkeitsschwankungen aufzudecken, die sonst nicht zu sehen wären. In die Beobachtungen dieser Analyse wurden das Green Bank Telescope und das Very Long Baseline Array des National Radio Astronomy Observatory in den Vereinigten Staaten sowie die Teleskope des European Very Long Baseline Interferometric Network einbezogen.