Unser Milchstraßensystem enthält mindestens 100 Milliarden Sterne. Die aber stellen nur einen kleinen Teil der Gesamtmasse unserer Galaxie dar. Der weitaus größere Teil soll stattdessen in Dunkler Materie stecken. Diese unbekannte Form von Materie kann nicht direkt beobachtet werden, beeinflusst jedoch über ihre Schwerkraft die Geschwindigkeit, mit der die Sterne um das galaktische Zentrum kreisen. Laut einer im Fachmagazin »Monthly Notices of the Royal Astronomical Society« veröffentlichten Studie sind die Sterne in den Außenbereichen der Milchstraße dabei auffällig langsam unterwegs. Das könnte darauf hindeuten, dass es in unserer Galaxis weniger Dunkle Materie gibt als bislang angenommen.

Für die Studie verwendeten die Forscherinnen und Forscher um Xiaowei Ou vom Massachusetts Institute of Technology Daten der Himmelsdurchmusterungen Gaia sowie APOGEE. Sie konnten so auf die Umlaufgeschwindigkeiten von mehr als 30 000 so genannten Roten Riesen schließen. Da es sich dabei um sehr helle Sterne handelt, konnten die Forschenden auf diese Weise bis in die Außenbereiche unserer Milchstraße in einer Entfernung von knapp 90 000 Lichtjahren vom galaktischen Zentrum vordringen.

Flache Rotationskurven von Galaxien ein Hinweis auf Dunkle Materie

Die Forschenden waren dabei an der Geschwindigkeit der Sterne interessiert, mit der diese um das galaktische Zentrum kreisen. Unsere eigene Sonne zum Beispiel hat eine Umlaufgeschwindigkeit von rund 230 Kilometern pro Sekunde. Aus den Geschwindigkeiten der 30 000 Roten Riesen erstellten sie die Rotationskurve des Milchstraßensystems, die darstellt, wie die Geschwindigkeiten der Sterne mit dem Abstand zum Zentrum unserer Galaxis variiert.

Derartige Rotationskurven von Galaxien lieferten ab den 1970er Jahren erste Hinweise auf die Existenz der Dunklen Materie. Damals hatten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erwartet, dass diese galaktischen Rotationskurven ungefähr so ausschauen sollten wie die Rotationskurven der Planeten in unserem Sonnensystem, die den keplerschen Gesetzen folgen. Im Sonnensystem ist ein Großteil der Materie im Zentrum versammelt, weshalb die Rotationskurve nach außen hin rasch abfällt: Der sonnennächste Planet Merkur schafft in nur 88 Tagen einen Umlauf um die Sonne, der sonnenfernste Planet Neptun hingegen braucht dafür 164 Jahre.

Wider Erwarten schauen die Rotationskurven in Galaxien ganz anders aus: Statt einer nach außen stark abfallenden Rotationskurve bleiben sie flach. Das heißt, die Sterne in den äußeren Bereichen von Galaxien sind nicht wesentlich langsamer unterwegs als die Sterne in den inneren Bereichen. Ohne eine zusätzliche große Masse lässt sich dieser Fund nicht erklären, was zum heutigen Modell von Galaxien führte, laut dem die sichtbare Materie in einem Halo aus Dunkler Materie eingebettet ist. Die Bahngeschwindigkeiten von Sternen liefern somit indirekt Hinweise darauf, wie viel Dunkle Materie es in einer Galaxie gibt und wie sie verteilt ist.

Äußere Sterne kreisen langsamer um das Zentrum der Galaxis

Die nun vorgestellte Rotationskurve der Milchstraße zeigt: Sie verläuft zwar zunächst flach, fällt aber in den Außenbereichen der Milchstraße stärker ab als erwartet. Die Bahngeschwindigkeiten der Sterne passen besser zu einem Modell, dem zufolge die Dichte der Dunklen Materie zum Zentrum der Materie nicht stetig ansteigt, sondern abflacht und eine Art »Kern« aus Dunkler Materie bildet. Das lässt jedoch darauf schließen, dass die Milchstraße in ihrem Zentrum weniger Dunkle Materie enthält als bislang angenommen und so insgesamt auf weniger Masse kommt – laut Modell rund 180 Milliarden Sonnenmassen.

Dieses Ergebnis passt zu anderen Messungen der Rotationsgeschwindigkeiten von Sternen in unserer Galaxis. Allerdings verträgt es sich nicht mit anderen Messungen der Masse der Milchstraße: So liefern Analysen von Kugelsternhaufen oder Satellitengalaxien einen Wert für die Gesamtmasse der Milchstraße, der eine Größenordnung über dem jetzigen Ergebnis liegt.

Wie lässt sich das so viel leichtere Milchstraßensystem erklären? Vielleicht haben frühere Messungen mit Kugelsternhaufen und Satellitengalaxien tatsächlich die Gesamtmasse überschätzt. Denkbar wäre jedoch ebenso, dass die Rotationsgeschwindigkeiten von noch weiter entfernten Objekten in der Milchstraße wieder ansteigen, was die nun beobachtete Anomalie wieder ausgleichen könnte. Darüber hinaus sind Messungen von derart weit entfernten Sternen mit großen Messunsicherheiten verbunden. Klarheit könnte einerseits die nächste Datenveröffentlichung von Gaia liefern, die allerdings nicht vor Ende 2025 erwartet wird, sowie Beobachtungen des Vera-C.-Rubin-Observatoriums, das 2025 an den Start gehen soll.