Als ich zum ersten Mal von Galaxien ohne Dunkle Materie hörte, saß ich gerade in meiner allerersten Vorlesung an der Universität von São Paulo. Das war im Jahr 2018, und die Entdeckung war gerade erst bekannt gegeben worden. Ein Team hatte eine kleine, seltsame Galaxie gefunden, der offenbar Dunkle Materie fehlte – jenes unsichtbare Material, von dem man annimmt, dass es den größten Teil der Materie im Universum ausmacht und das als wesentlich für die Entstehung, die Entwicklung und die Stabilität von Galaxien betrachtet wird. Der Fund war so bedeutend, dass er es sogar ins brasilianische Fernsehen schaffte.

Unser Professor nutzte diese Nachricht, um das Semester zu eröffnen. Sie löste monatelange Diskussionen aus. Zwerggalaxien – deutlich kleinere Ansammlungen von Sternen als Spiralgalaxien wie unser Milchstraßensystem und oft unregelmäßig geformt – galten lange Zeit als von Dunkler Materie dominiert. Könnten sie sich tatsächlich ohne sie bilden und weiter bestehen? War das Ergebnis echt, oder spiegelte es möglicherweise fehlerhafte Annahmen oder Unsicherheiten wider? Standen wir vor einem Problem in unseren Modellen zur Galaxienentstehung?

Galaxien und Dunkle Materie

Immer wieder kehrten wir zu einer täuschend einfachen, aber überraschend schwierigen Frage zurück: Was definiert eine Galaxie? Es stellte sich heraus, dass es keine einheitliche Antwort gibt. Zum Beispiel führten im Jahr 2011 zwei Astronomen, Duncan Forbes von der Swinburne University in Australien und Pavel Kroupa von der Universität Bonn in Deutschland, eine Umfrage durch, was eine Galaxie überhaupt sein soll. Ihre Ergebnisse zeigten, wie unterschiedlich die Definition selbst unter Fachleuten sein kann. Die meisten Astronominnen und Astronomen sind sich allerdings in den folgenden Punkten einig: Galaxien sind massereiche, durch Gravitation gebundene Systeme aus Sternen, Gas und Staub, mit einem wichtigen, aber kaum verstandenen Anteil an Dunkler Materie. Die provokante Entdeckung einer Galaxie, der dieses unsichtbare Zeug offenbar fehlte, lässt Zweifel an dieser Definition aufkommen.

Niemand weiß, woraus Dunkle Materie besteht, doch Astronomen sind sich ziemlich sicher, dass sie real und allgegenwärtig ist. Wir sehen überall Hinweise darauf – von der großräumigen Struktur des Kosmos bis hin zu den Bewegungen von Galaxienhaufen und den Umlaufbahnen von Sternen innerhalb von Galaxien. Dunkle Materie scheint das zu sein, was die meisten Galaxien zusammenhält – ohne sie würden ihre Sterne aus der Formation herausfliegen. Die Vorstellung einer Galaxie ohne sie stellt alles infrage, was wir darüber wissen, wie diese Sternensysteme entstehen.

Die Idee, dass einige Galaxien ohne Dunkle Materie entstehen, widerspricht der gängigen Lehrmeinung

Um zu verstehen, warum diese Entdeckungen so rätselhaft sind, müssen wir ins Jahr 2015 zurückgehen, als Astronomen begannen, eine große Anzahl sogenannter ultradiffuser Galaxien zu entdecken. Mit dem Teleskop Dragonfly Telephoto Array in New Mexico wurden Hunderte davon im Coma-Galaxienhaufen entdeckt, einer Ansammlung von Galaxien in 300 Millionen Lichtjahren Entfernung.

Geisterhafte Welteninseln

Ultradiffuse Galaxien sind eine Art Zwerggalaxien, erscheinen jedoch am Himmel viel größer als typische Vertreter dieser Gattung. Eine Methode zur Vermessung von Galaxien ist der sogenannte Halblichtradius – der Radius eines imaginären Kreises um das Zentrum einer Galaxie, der die Hälfte ihres gesamten Lichts umschließt.

Ultradiffuse Galaxien haben oft große Halblichtradien, ähnlich denen viel massereicherer Galaxien, beherbergen allerdings nur einen kleinen Bruchteil der Sternanzahl, die in größeren Systemen zu finden ist. Infolgedessen sind sie lichtschwach, weitläufig und unglaublich schwer zu erkennen – sie sehen aus wie Flecken am Himmel. Ihr geisterhaftes Erscheinungsbild und ihre Präsenz in Umgebungen mit hoher Dichte wie Galaxienhaufen überraschten Astronominnen und Astronomen und schlugen ein neues Kapitel in der Erforschung der Galaxienentstehung auf.

Lange Zeit ging man davon aus, dass ultradiffuse Galaxien von riesigen Halos aus Dunkler Materie umhüllt sind. Die Begründung war einfach: Wie können solch lockere, zerbrechliche Objekte in so rauen Umgebungen wie Galaxienhaufen zusammenhalten, ohne fast augenblicklich durch die Anziehungskraft ihrer Nachbarn auseinandergerissen zu werden? Sie müssen durch etwas geschützt sein, was wir nicht sehen können: Dunkle Materie.

Sternhaufen geben Hinweise

Diese Vorstellung wurde durch die Tatsache gestützt, dass diese Galaxien offenbar eine große Anzahl von Kugelsternhaufen beherbergen – kompakte, uralte Ansammlungen von Sternen (siehe »Konzentrierte Sternenkugel«). Kugelsternhaufen bilden sich in der Regel während intensiver Phasen der Sternentstehung, in denen viele junge Sterne geboren werden, wie es im frühen Universum der Fall war. Die Anzahl der Kugelsternhaufen, die eine Galaxie umkreisen, hängt eng mit ihrer Gesamtmasse zusammen, einschließlich ihrer Dunklen Materie. Je höher die Masse einer Galaxie ist, desto eher kann sie jene frühe, intensive Sternentstehung anstoßen, die wiederum Kugelsternhaufen hervorbringt. Da ultradiffuse Galaxien nur sehr wenige Sterne aufweisen, jedoch vergleichsweise viele Kugelsternhaufen, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass sie extrem massereich sein müssen, aber größtenteils aus etwas bestehen, was wir nicht sehen können. Alle Anzeichen deuteten darauf hin, dass sie stark von Dunkler Materie dominiert werden.

Doch diese Annahme wurde im Jahr 2018 auf den Kopf gestellt, als Pieter van Dokkum und Shany Danieli, beide damals an der Yale University, sowie ihre Mitarbeiter die Entdeckung veröffentlichten, welche die Diskussionen während meines ersten Semesters an der Graduiertenschule beherrschte – dass der ultradiffusen Galaxie NGC 1052-DF2 (kurz: DF2) offenbar Dunkle Materie fehlte. Diese Galaxie wies eine sehr ungewöhnliche Population von Kugelsternhaufen auf: Alle waren viel heller als sonst in typischen Galaxien. Anhand von Messungen der Geschwindigkeit der Sterne und Kugelsternhaufen von DF2 kam das Team zu dem Schluss, dass die Gesamtmasse der Galaxie in etwa der Masse ihrer sichtbaren Materie entsprach. Es gab keine Hinweise auf einen unsichtbaren dunklen Halo, der das System zusammenhielt.

Der Grund, warum Astronomen die Geschwindigkeiten von Sternen und Kugelsternhaufen messen, um die Masse einer Galaxie zu schätzen, liegt in der Schwerkraft. So wie die Geschwindigkeit der Planeten, welche die Sonne umkreisen, Aufschluss über die Masse der Sonne gibt, verrät die Bewegung der Sterne um eine Galaxie die gesamte auf sie wirkende Anziehungskraft. Je schneller sie sich bewegen, desto mehr Masse muss vorhanden sein. Sind die gemessenen Geschwindigkeiten höher, als sich allein durch die sichtbaren Sterne erklären lässt, schließen wir darauf, dass unsichtbare Masse (Dunkle Materie) für die zusätzliche Schwerkraft sorgt. Sind die Geschwindigkeiten jedoch niedrig und entsprechen dem, was allein durch die Sterne erklärt werden kann, gibt es möglicherweise wenig oder gar keine Dunkle Materie.

Problem der Distanzen?

Nicht jeder akzeptierte die Schlussfolgerung, dass DF2 frei von Dunkler Materie sei. Einer der Hauptstreitpunkte war ihre Entfernung von der Erde. Einige Forscher vermuteten, die Galaxie könnte näher liegen als ursprünglich geschätzt, was die berechneten Werte für ihre Größe und Gesamtmasse verringern und die Notwendigkeit von Dunkler Materie zur Erklärung ihrer Dynamik wieder aufleben lassen würde. Da die geschätzte Masse einer Galaxie sowohl von der Geschwindigkeit ihrer Sterne als auch von ihrer physikalischen Größe bestimmt wird, die wir anhand ihrer scheinbaren Entfernung berechnen, war dies eine entscheidende Frage. Als Reaktion darauf führte van Dokkums Team eine der größten Beobachtungskampagnen eines einzelnen Objekts mit dem Weltraumteleskop Hubble durch und widmete 42 Umlaufbahnen des Observatoriums (etwa 66 Stunden Beobachtungszeit) der Verfeinerung der Entfernungsmessung. Die Ergebnisse bestätigten, dass die ursprüngliche Distanzmessung korrekt war, was die Vorstellung untermauerte, dass DF2 keine Dunkle Materie enthielt.

Neue Geister

Dennoch schlugen andere Gruppen weiterhin alternative Interpretationen vor, darunter neue Methoden zur Abschätzung der Entfernung der Galaxie. Die Debatte verschärfte sich, als van Dokkums Team bekannt gab, dass eine zweite Galaxie in der Nähe von DF2 – diese namens DF4 – sich ähnlich langsam bewegende Sterne aufwies, was erneut auf einen Mangel an Dunkler Materie hindeutete. Die Astronomen zweifelten zunächst an ihrer eigenen Entdeckung. Wie wahrscheinlich war es, dass zwei Galaxien, die am Himmel nahe beieinanderlagen, beide keine Dunkle Materie enthielten? Doch nach etwa 48 Stunden schlafloser Beobachtungen, so van Dokkum, schickte er Danieli eine einfache Nachricht mit nur einem Zeichen: der Zahl 7. Das war der Wert, den er als Geschwindigkeitsdispersion der Galaxienhaufen berechnet hatte – ein Maß dafür, wie stark ihre Geschwindigkeiten variierten. Sie war so gering, dass sie sofort auf wenig oder gar keine Dunkle Materie in DF4 hindeuete – genauso wie in DF2. Zu diesem Zeitpunkt war die Vorstellung, dass Galaxien ohne Dunkle Materie existieren könnten, von einer Spekulation zu einem ernst zu nehmenden, wenn auch umstrittenen Forschungsansatz geworden.

Nach unserem derzeitigen Verständnis lassen Modelle für die Galaxienentstehung zwar Systeme ohne Dunkle Materie zu, doch handelt es sich dabei typischerweise um große, seltene Objekte wie Reliktgalaxien – ungewöhnliche, unvollständig ausgebildete Galaxien, die aus dem frühen Universum übrig geblieben sind. Bei Zwerggalaxien wie DF2, DF4 und den meisten ultradiffusen Objekten ist die Erwartung genau umgekehrt. Da sie eine geringe Masse haben, bilden sie tendenziell weniger Sterne, und es wird angenommen, dass sie stark von Dunkler Materie dominiert werden.

Der einzige Typ von Zwerggalaxie, von dem vorhergesagt wird, dass er sich ohne Dunkle Materie bildet, ist der Gezeitenzwerg, ein Sternsystem, das aus den Trümmern größerer Galaxien nach Kollisionen oder nahen Begegnungen entsteht. Gezeiten-Zwerggalaxien sind jedoch typischerweise jung, und es wird nicht erwartet, dass sie Kugelsternhaufen beherbergen. Sie sind in der Regel nur sternbildende Klumpen, die aus viel älteren Muttergalaxien herausgerissen wurden. DF2 und DF4 hingegen sind alt und von großen Populationen einiger der massereichsten und leuchtkräftigsten Kugelsternhaufen umgeben, die je beobachtet wurden. Diese Galaxien waren keine Gezeiten-Zwerggalaxien. Sie waren etwas völlig Neues, was von keinem aktuellen Entstehungsmodell vorhergesagt wurde.

Wie sind sie so entstanden? Eine Hypothese besagte, dass im Lauf der Zeit Gravitationskräfte Dunkle Materie aus den Galaxien herausgezogen haben könnten – ein Prozess, der als Gezeitenabstreifen bekannt ist. Doch ihre Sterne und Kugelsternhaufensysteme entsprachen ebenfalls nicht dem, was wir von diesem Szenario erwarten würden. Bis 2019 konnte keine einzige Theorie oder Simulation alle ihre beobachteten Eigenschaften vollständig erklären.

Dann, im Jahr 2019, schlug der Astrophysiker Joseph Silk von der Johns Hopkins University das »Bullet-Zwerg-Szenario« vor, um DF2 zu erklären. Seine Modelle zeigten, dass eine Hochgeschwindigkeitskollision zwischen zwei Zwerggalaxien im genau richtigen Winkel sichtbare und Dunkle Materie trennen könnte; der Aufprall würde zudem einen intensiven Druck erzeugen, der die Bildung ungewöhnlich heller Kugelsternhaufen auslösen könnte. Das Modell wurde von einer viel größeren und bekannten Galaxiengruppe namens Bullet-Cluster inspiriert.

Die Bullet-Zwerg-Hypothese

Der Bullet-Cluster ist einer der eindrucksvollsten Beobachtungsbelege für Dunkle Materie. Durch den Vergleich von Röntgenkarten (die heißes Gas nachzeichnen) mit Gravitationskarten, die auf der Krümmung des Lichts beim Durchqueren der Region basieren (und die Gesamtmasse erfassen), zeigten Astronomen, dass Dunkle Materie und sichtbare Materie im Cluster voneinander getrennt waren. Sie überlappten sich nicht. Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass nach der Kollision zweier kleinerer Galaxienansammlungen die Dunkle Materie hindurchschoss, während sich die Sterne und das Gas miteinander verflochten, wodurch die sichtbare Materie zurückblieb.

In der »Bullet-Zwerg«-Hypothese wird eine Miniversion desselben Szenarios vorgeschlagen: Zwei Zwerggalaxien kollidierten, und die Dunkle Materie passierte sie unberührt. Das Gas hingegen kollidierte und erzeugte Stoßwellen, die eine erhöhte Sternentstehung und die Bildung massereicher Kugelsternhaufen auslösten. Es entstanden neue Galaxien, reich an Sternen und frei von Dunkler Materie.

Wenn dieses Bild zutrifft, sind derartige Systeme mehr als nur exotische Kuriositäten. Sie sind Laboratorien, in denen die grundlegende Natur der Dunklen Materie selbst getestet werden kann. Die Tatsache, dass die Dunkle Materie die Kollision offenbar ohne Wechselwirkung durchlaufen hat, während das Gas kollidierte und Schockwellen erzeugte, setzt Grenzen dafür, wie stark Teilchen der Dunklen Materie miteinander interagieren können. Mit anderen Worten: Zwerggalaxien ohne Dunkle Materie könnten dazu beitragen, bestimmte Teilchenmodelle auszuschließen und unsere Theorien darüber, wie sich Galaxien bilden, zu verfeinern.

Van Dokkum und seine Mitarbeiter dehnten die Idee dann über DF2 hinaus aus. Sie schlugen vor, dass diese Galaxie, DF4 und möglicherweise eine ganze Reihe weiterer Galaxien alle aus derselben uralten Kollision in der NGC-1052-Gruppe entstanden sein könnten. Da die Vorläufergalaxien nicht zerstört wurden, bewegten sie sich weiter und hinterließen eine Spur neuer Galaxien, die aus ihrem abgestreiften Gas entstanden. Diese Galaxien, denen Dunkle Materie fehlt, die aber reich an Sternen und Kugelsternhaufen sind, zeichnen nun einen schnurgeraden Pfad durch die Gruppe. Je nachdem, wie sich das Material ausbreitete, könnten einige Galaxien in der Spur mehr oder weniger Kugelsternhaufen aufweisen, doch sie würden alle dieselben grundlegenden Eigenschaften teilen. Die Anzahl der bei einem solchen Ereignis entstandenen Galaxien hängt davon ab, wie viel Gas verfügbar war und wie sich das Material verteilt hat. Im Fall der NGC-1052-Gruppe könnte dieser Prozess bis zu sieben bis elf Galaxien hervorgebracht haben.

Bis vor Kurzem war diese Idee nur für Galaxien in der NGC-1052-Gruppe vorgeschlagen worden, was darauf hindeutete, dass sie das Ergebnis eines seltenen Zufalls waren. Die Forscher, die diese Hypothese aufstellten, schätzten allerdings, dass ein solches Ereignis etwa achtmal pro 65 Millionen Quadratlichtjahre auftreten könnte. Es müsste also zahlreiche solcher Galaxien geben, doch bis zu diesem Jahr waren keine weiteren bestätigten Fälle gefunden worden.

Neue Spuren im Fornax-Haufen

An dieser Stelle kommt meine Arbeit ins Spiel. Meine Kollegen und ich wollten an anderen Orten nach ähnlichen Objekten suchen, um herauszufinden, ob Galaxien mit einem Mangel an Dunkler Materie seltene Einzelfälle oder Teil einer breiteren Klasse sind. Das führte uns zu FCC 224, einer Galaxie am Rande des Fornax-Haufens (englisch: Fornax cluster), rund 60 Millionen Lichtjahre entfernt. Dieses Objekt wurde erstmals im Jahr 2020 identifiziert, und die Wissenschaftler waren sofort fasziniert von der Helligkeit seiner Kugelsternhaufen, die der in DF2 und DF4 ähnelte. FCC steht für Fornax Cluster Catalogue, einen Katalog von Galaxien im Fornax-Haufen.

Wir näherten uns der Galaxie auf drei Arten. Zunächst schlugen wir vor, sie mit dem Hubble-Weltraumteleskop zu beobachten, das uns dank seiner hohen Auflösung ermöglichen würde, die Kugelsternhaufen im Detail zu untersuchen. Außerdem beantragten wir Beobachtungszeit an zwei der größten bodengestützten Teleskope: dem Keck-Observatorium auf Hawaii und dem Very Large Telescope (VLT) in Chile. Jede Anlage hat ihre Vorteile. Der Keck Cosmic Web Imager bietet eine hohe Auflösung, aber ein kleines Sichtfeld, während das Instrument MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) am VLT einen größeren Bereich abdeckt, jedoch mit geringerer Auflösung. Letztendlich wurden uns alle drei bewilligt. Hubble-Daten bestätigten die übermäßige Helligkeit der Kugelsternhaufen in einer Studie unter der Leitung von Yimeng Tang, Doktorand an der University of California, Santa Cruz. Anschließend nutzten wir die Keck-Daten, um die Sterne zu untersuchen und ihre Geschwindigkeiten zu messen, was das Fehlen von Dunkler Materie bestätigte. Die VLT-Daten folgten später; diese analysieren wir noch.

Die umfangreichen Datensätze zeigten, dass FCC 224 über das Fehlen von Dunkler Materie hinaus viele Eigenschaften mit DF2 und DF4 teilt. Diese gemeinsamen Merkmale lieferten auch so etwas wie ein Rezept für die Suche nach weiteren Galaxien ohne Dunkle Materie. Alle drei bekannten Beispiele verfügen über helle und zahlreiche Kugelsternhaufensysteme, beherbergen alte Sterne und weisen zudem solche auf, die genauso alt sind wie die Kugelsternhaufen. Der letzte Punkt ist besonders ungewöhnlich. Kugelsternhaufen sind typischerweise viel älter als die allgemeine Sternpopulation in der Wirtsgalaxie. Diese drei Galaxien scheinen jedoch ihre Sterne und Kugelsternhaufen zur gleichen Zeit und aus demselben Material gebildet zu haben.

Wenn sich FCC 224 im gleichen Szenario einer »Bullet-Zwerggalaxien-Spur« gebildet hat wie die beiden anderen Galaxien, könnte es in der Nähe auch einen Strom von Galaxien geben, die bei derselben Kollision entstanden sind. Also machte ich mich auf die Suche. Dabei fand ich FCC 240, die auffallend ähnlich aussah und identische Sternpopulationen aufwies. Alles deutet darauf hin, dass FCC 224 und FCC 240 ein Zwillingspaar sind, genau wie DF2 und DF4. Die Entdeckung war so spannend, dass ich Beobachtungen für weitere VLT-Daten beantragte, um die Sternengeschwindigkeiten in FCC 240 zu messen. Das wurde bewilligt, und die Untersuchung läuft noch. Daher kenne ich die Antwort bisher nicht, aber es ist aufregend, Teil dieser sich entwickelnden Forschung zu sein. Wenn wir feststellen, dass auch FCC 240 keine Dunkle Materie enthält, könnte dies darauf hindeuten, dass derartige Systeme immer paarweise oder in Gruppen auftreten.

Spannende Forschung

Die Entdeckung mehrerer Galaxien mit diesen Eigenschaften hat viele neue Fragen aufgeworfen. Die Galaxien können keine seltenen Anomalien sein, die an eine einzige Gruppe oder Umgebung gebunden sind. Sie tauchen in verschiedenen Teilen des Universums auf, und unsere Modelle müssen sie berücksichtigen. Wie kann sich eine Zwerggalaxie ohne Dunkle Materie bilden oder fortbestehen? Mehrere Ideen werden derzeit intensiv diskutiert.

Um die rätselhaften Galaxien besser zu verstehen, müssen wir mehr von ihnen finden und unsere Simulationen sowie theoretischen Modelle des Universums verbessern. Weitwinkel- und Deep-Sky-Durchmusterungen werden dabei unerlässlich sein. Das im Jahr 2025 fertiggestellte Vera C. Rubin Observatory in Chile ist eines der Instrumente, die dabei helfen könnten. Im Lauf des nächsten Jahrzehnts wird sein »Legacy Survey of Space and Time« den südlichen Himmel wiederholt in hoher Detailtiefe abbilden. Unter den Galaxien, die dabei entdeckt werden, könnten einige dieselben Merkmale aufweisen wie DF2, DF4, FCC 224 und vielleicht auch FCC 240.

Dies hat einen interessanten und zirkulären Aspekt. Das neue Observatorium ist nach der Astronomin Vera C. Rubin benannt, deren frühe Arbeiten zur Rotation von Galaxien einen der ersten Hinweise darauf lieferten, dass Dunkle Materie existieren könnte. Nun könnte das nach ihr benannte Teleskop uns helfen, Galaxien besser zu verstehen, in denen Dunkle Materie fehlt. Als moderne Wendung werden die Daten des Rubin-Observatoriums wahrscheinlich mit dem neuesten KI-Chip eines Technologieunternehmens namens »Rubin« verarbeitet: Rubin wird Rubin dabei helfen, Galaxien zu finden, die Rubins Entdeckung infrage stellen.

Für mich begann das alles mit einer Diskussion im Studium. Jetzt steht es im Mittelpunkt meiner Forschung. Die Vorstellung, dass sich manche Galaxien ohne Dunkle Materie bilden könnten, widerspricht einer der grundlegendsten Annahmen in unserem Verständnis der Galaxienentstehung. Wir wissen noch nicht, wie oft das vorkommt oder wie solche Galaxien entstanden sind. Aber wir wissen, dass es sie gibt. Und das ist ein Mysterium, das es wert ist, aufgelöst zu werden.