Stellare Überreste könnten die fehlende Masse in Galaxienhaufen erklären

Zusammenballungen von Galaxien, sogenannte Galaxienhaufen, können auf kosmologischem Maßstab als Schwergewichte bezeichnet werden. Eine neue Studie zeigt nun, dass sie rund doppelt so massereich sind wie bisher angenommen – und das womöglich ohne Dunkle Materie.

Der Galaxienhaufen Abell 209 – bei einer Entfernung von 2,8 Milliarden Lichtjahren. Bild: ESA/Hubble/NASA/M. Postman/P. Kelly

Galaxienhaufen sind die größten stabilen Strukturen im Universum. Die Megasysteme werden durch tausende Galaxien gebildet, eingebettet in heißes Gas und zusammengehalten durch Gravitation. Trotz jahrzehntelanger Forschung war jedoch lange unklar, woraus ihre enorme Masse genau besteht.

Bei Galaxienhaufen bzw. Clustern kann man verschiedene Typen unterscheiden, wie cD-Haufen, B-, L-, C-, F-, I-Haufen. Berühmte Beispiele sind der Virgo-, der Hydra- oder der Perseus-Galaxienhaufen.

Eine aktuelle Studie unter Leitung der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn bringt nun Bewegung in die Debatte. Das Forschungsteam um Prof. Dr. Pavel Kroupa kommt zu dem Ergebnis, dass Galaxienhaufen etwa doppelt so schwer sind wie bisher angenommen. Verantwortlich dafür ist vor allem eine bis dato unterschätzte Quelle: stellare Überreste wie Neutronensterne und schwarze Löcher.

Massenprobleme ohne Dunkle Materie gelöst

Bisher klaffte in Galaxienhaufen eine deutliche Lücke zwischen der sichtbaren, gewöhnlichen, sogenannten baryonischen Masse und der Masse, die sich aus ihrer gravitativen Wirkung ergibt. Normalerweise wird neben der baryonischen Materie eine Dunkle Materie angenommen, die nicht sichtbar ist, sich aber durch ihre gravitative Wirkung berechnen lässt. Doch es gibt auch alternative Theorien zur Dunklen Materie, etwa die Milgromsche Gravitationstheorie (MOND).

Die Milgromsche Gravitationstheorie bzw. modifizierte newtonsche Dynamik (MOND) ist eine Hypothese, die das Rotationsverhalten von Galaxien erklären will, indem sie die Bewegungsgesetze der Materie im Gravitationsfeld anpasst. MOND wurde Anfang der 1980er Jahre als Alternative zur Dunklen Materie vorgeschlagen.

Innerhalb von MOND wurde die Diskrepanz zwischen baryonischer Materie und gravitativer Wirkung besonders deutlich, da hier weniger Spielraum für zusätzliche, unsichtbare Materie besteht. Die Bonner Studie konnte nun zeigen, dass die fehlende Masse größtenteils aus ganz gewöhnlicher Materie besteht – allerdings in einer Form, die sich kaum direkt beobachten lässt. Neutronensterne und stellare schwarze Löcher, Überreste massereicher Sterne tragen erheblich zur Gesamtmasse bei.

Neue Theorie zu Sternmassen entwickelt

Die Neubewertung wurde durch eine eigens in Bonn entwickelte Theorie möglich. Die beschreibt, wie sich Sternmassen in Galaxien verteilen und wie das von den Eigenschaften der jeweiligen Galaxie abhängt. Insbesondere massereiche elliptische Galaxien, wie sie in Galaxienhaufen häufig vorkommen, müssen demnach in kurzer Zeit viele sehr schwere Sterne gebildet haben. Die Sterne leben kurz, hinterlassen aber kompakte Überreste mit hoher Masse – der Effekt wurde aber in früheren Modellen kaum berücksichtigt.

Für die Analyse wertete das Team Beobachtungsdaten von 46 Galaxienhaufen aus. Grundlage waren unter anderem Daten des WIde-field Nearby Galaxy-cluster Survey (WINGS) sowie des Two Micron All Sky Survey (2MASS). Hinzu kamen Messungen des heißen Gases zwischen den Galaxien, des sogenannten Intracluster Mediums.

Als Intracluster Medium wird das dünne heiße Gas zwischen Galaxien bezeichnet, das Temperaturen von bis zu 10 bis 100 Millionen Kelvin erreichen kann und vornehmlich aus Wasserstoff und Helium besteht.

Auf dieser Basis wurden die Sternpopulationen jeder einzelnen Galaxie neu berechnet. Zusätzlich flossen moderne Simulationsprogramme ein, die seit 2019 international entwickelt werden und welche die zeitliche Entwicklung von Leuchtkraft, Spektren und chemischer Zusammensetzung ganzer Galaxien abbilden.

Hohe baryonische Anteile

Berücksichtigt man Sterne, ihre Überreste und das heiße Gas gemeinsam, erklären baryonische Komponenten bis zu 88 Prozent der dynamischen Masse der untersuchten Galaxienhaufen im MOND-Rahmen. So das Ergebnis der Studie. Allein die stellaren Überreste konnten das Massenproblem erheblich entschärfen.

Damit passen die neu berechneten Haufenmassen gut zu den Vorhersagen der Milgromschen Gravitationstheorie. Konventionelle Modelle auf Basis der klassischen Newtonschen Gravitation mit Dunkler Materie geraten hingegen unter Druck, da sie nun mit deutlich geringeren Mengen an Dunkler Materie auskommen müssten.

Die Studie ist klassische Grundlagenforschung. Sie erweitert das Verständnis der Wechselwirkung von Raumzeit und Materie und damit für grundlegende Fragen der Kosmologie. Die Ergebnisse zeigen dennoch, dass die Lösung kosmischer Rätsel manchmal nicht im Unbekannten, sondern im lange Übersehenen liegen kann.

Quellenhinweis:

Zhang, D., Zonoozi, A. H., & Kroupa, P. (2026): Revisiting the missing mass problem in MOND for nearby galaxy clusters. Physical Review D (PRD).