Die 65 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernte Zwerggalaxie NGC 1052-DF2 enthält keine Spur Dunkler Materie. Klingt das für Sie nach einer Sensation? Für Astrophysiker ist es zumindest eine Überraschung.

Die Vermessung der Eigenbewegung von zehn Kugelsternhaufen des Sternsystems jedenfalls ergab, dass sich an dieser Zwerggalaxie keine Dunkle Materie finden ließ. Üblicherweise enthalten solche Galaxien aber 400-mal mehr davon als Sterne. Der Überraschungsfund zeige nicht nur, dass Dunkle Materie eine eigenständige Substanz sei, die sich von normaler Materie trennen lasse. Sie werfe zugleich alternative Gravitationstheorien, die versuchen, ohne Dunkle Materie auszukommen, über den Haufen, berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Magazin Nature (Van Dokkum et al., 2018).

Bereits in den 1930er Jahren hatten Beobachtungen der Bewegungen von Sternen und Galaxien in Galaxienhaufen gezeigt, dass die wirkenden Anziehungskräfte erheblich größer sind, als allein aufgrund der sichtbaren Materie zu erwarten wäre. Etwa die Beobachtungen des Astronomen Fritz Zwicky am Coma-Galaxienhaufen legten den Verdacht nahe, dass es zusätzlich eine unsichtbare Materienform gibt, die Galaxien und Galaxienhaufen mit ihrer Schwerkraft zusammenhält. Falls nicht, wären Gravitationsgesetze von Newton und Einstein falsch – das hielten Astronomen jedoch für unwahrscheinlicher. Heute glauben Forscher: Dunkle Materie macht im Durchschnitt 80 Prozent der Masse im Kosmos aus.

"Dabei sind die Masse des Dunklen Halos einer Galaxie und seine Gesamtmasse in Form von Sternen eng aneinander gekoppelt, wie systematische Untersuchungen zeigen", schreibt das Team um Pieter van Dokkum von der Yale University in den USA. "Das Verhältnis dieser Massenanteile hat ein Minimum mit einem Wert von 30 bei Galaxien, ähnlich der Milchstraße, und steigt sowohl für größere als auch für kleinere Galaxien an." Extrem diffuse Zwerggalaxien wie NGC 1052-DF2 enthalten typischerweise etwa 400-mal mehr Dunkle Materie als normale Materie in Form von Sternen.

Dunkle Materie – eine unabhängige Substanz

Doch die aktuell in Nature veröffentlichten Messungen lieferten ein anderes Ergebnis. NGC 1052-DF2 enthält etwa 200 Millionen Sonnenmassen in Form von Sternen. Und aus der Eigenbewegung der Kugelsternhaufen lässt sich eine Gesamtmasse von maximal 340 Millionen Sonnenmassen ableiten. Im Rahmen der Genauigkeit beider Messungen sind diese Ergebnisse damit verträglich, dass die Gesamtmasse mit der Masse aller Sterne übereinstimmt – die Zwerggalaxie enthält also nur sehr wenig oder gar keine Dunkle Materie. "Das ist 400-mal weniger, als wir erwartet haben", berichten die Forscher.

Dieser überraschende Befund zeige, dass Dunkle Materie auf der Skala von Galaxien nicht wie bislang angenommen stets an die normale Materie gekoppelt ist. "Es handelt sich also um eine unabhängige Substanz, die in einer Galaxie vorhanden sein kann oder auch nicht." Die Forscherinnen und Forscher vermuten, dass die Entstehungsgeschichte des Sternsystems für die Abwesenheit von Dunkler Materie verantwortlich ist. Normalerweise bilden sich zunächst Verdichtungen aus Dunkler Materie, in denen sich dann normale Materie ansammelt, aus der Sterne entstehen. NGC 1052-DF2 könnte dagegen aus Gas entstanden sein. Und zwar entweder aus einem, das bei einer Galaxienkollision ausgestoßen wurde, oder aus intergalaktischem Gas, das von der Strahlung eines Quasars zusammengeschoben wurde. Beide Möglichkeiten werden in der Arbeit diskutiert.

Unabhängig von der Entstehungsgeschichte hat die Entdeckung der ungewöhnlichen Zwerggalaxie Konsequenzen für alternative Theorien, die versuchen, ohne die bislang mysteriöse Dunkle Materie auszukommen. Bei diesen Ansätzen wird versucht, mithilfe von Änderungen des Gravitationsgesetzes die Bewegung von Sternen und Galaxien zu erklären. Dabei hängt die Dynamik – und die dadurch vorgetäuschte Dunkle Materie – aber stets von der vorhandenen normalen Materie ab. Eine Galaxie wie NGC 1052-DF2 dürfte es dann jedoch nicht geben. Für die Verfechter solcher alternativen Gravitationstheorien brechen also schwere Zeiten an.