Mysteriöses dunkles Objekt im All

Forschende haben das derzeit kleinste gemessene dunkle Objekt mithilfe seines Gravitationseffektes nachgewiesen - eine exotische Konzentration dunkler Materie?

Auf den Punkt gebracht

• Gravitationslinsen: Mithilfe der Verzerrungen durch Gravitationslinsen lassen sich die Eigenschaften dunkler Materie untersuchen, obwohl diese kein Licht aussendet. 
• Entdeckung: Ein internationales Team hat ein dunkles Objekt im fernen Universum entdeckt, als dieses erst 6,5 Milliarden Jahre alt war, und hat eine Million Mal so viel Masse wie die Sonne. Die Entdeckung basiert auf der Analyse der Gravitationseffekte auf das Licht einer anderen Galaxie.
• Was ist das Objekt? Das dunkle Objekt könnte ein Halo aus Sternen sein, der eine ultrakompakte Zwerggalaxie umgibt. Da aber kein Sternlicht von dem Objekt ausgeht und das Innere extrem kompakt zu sein scheint, wäre eine exotische Option denkbar: ein Halo aus dunkler Materie, dessen Zentrum kollabiert ist und in dem sich ein schwarzes Loch gebildet hat.
• Technik: Ein Netzwerk aus Radioteleskopen weltweit, darunter das Green Bank Telescope, hat die Daten erfasst. Es bildet ein virtuelles Super-Teleskop, das eine bessere Bildqualität ermöglicht. So lassen sich selbst kleine Gravitationssignale erkennen.

Dunkle Materie ist eine rätselhafte Form von Materie, die kein Licht ausstrahlt. Sie ist jedoch für das Verständnis der Entwicklung der vielfältigen Sternen- und Galaxienstruktur, die wir am Nachthimmel sehen, von entscheidender Bedeutung. Da dunkle Materie nicht sichtbar ist, können ihre Eigenschaften nur durch Beobachtung der Wirkung ihrer Gravitation bestimmt werden. Dabei wird das Licht eines weiter entfernten Objekts durch die Schwerkraft des dunklen Objekts verzerrt und abgelenkt. „Die Suche nach dunklen Objekten, die offenbar kein Licht ausstrahlen, ist eindeutig eine Herausforderung”, sagt Devon Powell vom Max-Planck-Institut für Astrophysik und Hauptautor Studie. „Da wir sie nicht direkt sehen können, verwenden wir sehr weit entfernte Galaxien als Hintergrundbeleuchtung, um nach ihren Gravitationsspuren zu suchen.”

Das Team nutzte ein Netzwerk von Teleskopen aus aller Welt, darunter das Green Bank Telescope, das Very Long Baseline Array und das European Very Long Baseline Interferometric Network. Die Daten dieses internationalen Netzwerks wurden am Joint Institute for VLBI ERIC in den Niederlanden korreliert. Dadurch entstand ein virtuelles Super-Teleskop, das denselben Durchmesser wie Erde hat und die subtilen Signale der Gravitationslinseneffekte des dunklen Objekts erfassen konnte. „Auf dem ersten hochauflösenden Bild sahen wir sofort eine Verengung im Gravitationsbogen. Das war ein eindeutiges Zeichen dafür, dass wir auf der richtigen Spur waren. Nur eine weitere kleine Massenansammlung zwischen uns und der entfernten Radiogalaxie konnte dies verursachen“, sagt John McKean von der Universität Groningen, der Universität Pretoria und dem South African Radio Astronomy Observatory. Er leitete die Datenerfassung.

Ein unbekanntes dunkles und kompaktes Objekt

Das Team entdeckte, dass das Objekt eine Million Mal so viel Masse besitzt wie unsere Sonne und sich in einer entfernten Region des Weltraums befindet, die etwa zehn Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist und auf einen Moment im Universum hindeutet, als dieses erst 6,5 Milliarden Jahre alt war. Denn da das Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, ist ein jeder Blick in die Tiefen des Alls immer auch ein Blick in die Vergangenheit. Es ist das Objekt mit der geringsten Masse, das je mit dieser Technik gefunden wurde – um einen Faktor 100 leichter. 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. Die gemessene innere Struktur des Objekts ist aber höchst ungewöhnlich, sendet selbst kein Licht aus und deutet auf eine alternative Erklärung hin, etwa ein im Inneren stark verdichteter Halo aus dunkler Materie.

Analyse am Supercomputer

Um den riesigen Datensatz zu analysieren, musste das Team neue Modellierungsalgorithmen entwickeln, die nur auf Supercomputern ausgeführt werden konnten. „Die Daten sind so umfangreich und komplex, dass wir neue numerische Ansätze zu ihrer Modellierung entwickeln mussten. Das war nicht einfach, da dies noch nie zuvor gemacht worden war“, sagt Simona Vegetti vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. „Wir gehen davon aus, dass jede Galaxie, einschließlich unserer eigenen Milchstraße, mit Klumpen dunkler Materie gefüllt ist. Um sie zu finden und die Fachwelt von ihrer Existenz zu überzeugen, sind jedoch umfangreiche Berechnungen erforderlich.“ Das Team wandte eine spezielle Technik namens Gravitationsbildgebung an, mit der es die unsichtbaren Klumpen dunkler Materie „sehen“ konnte, indem es deren Gravitationslinseneffekt gegenüber dem Lichtbogen abbildete.

„Angesichts der Empfindlichkeit unserer Daten hatten wir erwartet, mindestens ein dunkles Objekt zu finden, sodass unsere Entdeckung mit der sogenannten ‚Theorie der kalten dunklen Materie‘ übereinstimmt, auf der ein Großteil unseres Verständnisses der Entstehung von Galaxien basiert“, sagt Powell. Erste Erklärungsversuche der Daten deuteten auf einen Dunkle-Materie Halo hin, der eine junge Galaxie umgibt und schließen ein millionen Sonnenmasse schweres schwarzes Loch oder einen großen Kugelsternhaufen als Ursache aus.

Ein kollabierter Dunkle-Materie Halo?

Nachdem Vegetti und ihr Team die präzisen Daten der Gravitationslinse eingehender analysierten, gelang es ihnen aber, die Struktur des Objekts mit beispielloser Detailgenauigkeit zu charakterisieren und so die Liste möglicher Ursachen einzugrenzen. „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“, sagt Vegetti. Die Struktur erinnert an eine ultrakompakte Zwerggalaxie mit einem ausgedehnten Sternhalo. Das Team hat jedoch noch kein Licht von in das Objekt eingebetteten Sternen entdeckt. Gibt es noch andere Optionen? 

„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“, sagt Simon White, emeritierter Direktor am Max-Planck-Institut für Astronophysik und Mitautor der Studie. 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. Das Team untersucht aber auch andere Teile des Himmels, um mit derselben Technik nach weiteren dunklen Objekten mit geringer Masse zu suchen. Werden weitere dieser mysteriösen Objekte in anderen Teilen des Universums gefunden und sollte sich herausstellen, dass sie tatsächlich völlig frei von Sternen sind, könnten einige Theorien zur dunklen Materie ausgeschlossen werden.

Zusätzliche Informationen

Gravitationslinsen sind ein astrophysikalisches Werkzeug, mit dem Forschende die Masseneigenschaften von Strukturen im Universum messen. Es basiert auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, nach der Masse im Universum den Raum krümmt. Wenn die Masse des im Vordergrund liegenden Linsenobjekts ausreichend groß ist, wird das Licht von entfernten Objekten verzerrt, sodass sogar mehrere Bilder zu sehen sind. Im Fall des Systems B1938+666 führt die infrarotleuchtende Galaxie im Vordergrund (in der Mitte des Rings zu sehen) zu einem wunderschönen Einstein-Ring der entfernten Galaxie. Die entfernte Galaxie ist jedoch auch im Radiofrequenzbereich hell und zeigt Mehrfachbilder und Gravitationsbögen (in Rot zu sehen).

Die Radiobeobachtungen wurden mit einer Kombination von Radioteleskopen durchgeführt, die zu einem sogenannten Very Long Baseline Interferometer zusammengefasst wurden. Diese Beobachtungsmethode ermöglicht es Forschende, die Bildschärfe der Daten zu verbessern und sehr kleine Helligkeits Schwankungen aufzudecken, die sonst nicht zu sehen wären. Die Auflösungsleistung der Daten ist beispielsweise um den Faktor 13 besser als die Infrarotbildgebung des adaptiven Optiksystems des W. M. Keck-Teleskops (ebenfalls in den Abbildungen in Schwarz-Weiß dargestellt). Für die Beobachtungen 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 verwendet.

Bei der Gravitationsbildgebung handelt es sich um eine neuartige Methode, mit der Astronominnen und Astronomen Masse im Universum „sehen” können, obwohl diese kein Licht aussendet. Dabei werden die ausgedehnten Gravitationsbögen genutzt, um nach kleinen Abweichungen zu suchen, die nur durch eine zusätzliche, unsichtbare Massekomponente verursacht werden können. Durch die Kombination dieser Methode mit der hochauflösenden Bildgebung aus den Daten konnte das Team das derzeit kleinste gemessene dunkle Objekt nachweisen.

 

MPG/BEU, Aktualisiert am 14. Januar 2026 basierend auf neuesten Erkenntnissen