Cloud-9 voi olla galaksi ilman tähtiä – ennätyssyvä kuva paljasti vain tyhjyyttä

Cloud-9 on Messier 94 -spiraaligalaksin lähellä sijaitseva tiivis neutraalin atomivedyn eli H I:n pilvi. Se saattaa olla poikkeuksellisen harvinainen, käytännössä tähdetön pimeä galaksi: pimeän aineen halossa säilynyt kaasukertymä, jossa tähtiä on hyvin vähän tai ei havaittavasti lainkaan. Kohdetta pidetään tällä hetkellä vahvimpana ehdokkaana niin sanotuksi reionisaation rajoittamaksi H I -pilveksi (RELHIC), vaikka kyse on edelleen tulkinnasta eikä lopullisesti todistetusta luokituksesta. 23

Kymmenen kertaa syvemmälle – eikä tähtivaloa löytynyt

Ignacio Trujillon tutkimusryhmä kuvasi Cloud-9:ää Kanariansaarilla sijaitsevalla Gran Telescopio Canarias -teleskoopilla ja sen HiPERCAM-kameralla. Havainnot saavuttivat pintakirkkausrajat 31,4 mag/kaarisekunti² g-suodattimessa ja 31,0 r-suodattimessa. Tämä on noin kymmenen kertaa aiempaa syvämpi taso alueen kuvauksissa. 1

Tuloksena oli silti ei mitään: pilven keskimmäiseltä 1 × 1 kaariminuutin alueelta ei havaittu diffuusia tähtisäteilyä. Cloud-9:n etäisyydellä alue vastaa noin 1,3 × 1,3 kiloparsekin eli suunnilleen 4 200 × 4 200 valovuoden aluetta. 1

Jos pilvessä on vanha ja vähän raskaita alkuaineita sisältävä tähtipopulaatio – eli erityisen vaikeasti havaittava mahdollinen tähtijoukko – sen pintatiheydeksi voidaan asettaa enintään noin 0,01 Auringon massaa neliöparsekkia kohden. Keskialueen tähtien kokonaismassa jäisi tällöin alle 16 000 Auringon massan. 1

Raja on riippumaton aiemmasta Hubble-avaruusteleskoopin resolved-star-hausta, jossa etsittiin yksittäisiä tähtiä, ja se on sen kanssa yhtenevä. 12

Kaasua on, mutta tähtiä ei näy

Radiohavainnot osoittavat Cloud-9:n olevan tiivis, dynaamisesti kylmä ja ilmeisesti pyörimätön kohde. Neutraalia vetyä siinä on noin miljoonan Auringon massan verran. 2

Kohteen tulkintaan käytetyt mallit viittaavat noin 5 miljardin Auringon massan pimeän aineen haloon. Kun tätä verrataan nimenomaan neutraalin vedyn massaan, saadaan usein mainittu noin 5 000:1-suhde halon massan ja H I -vedyn välillä. Luku ei kuitenkaan ole sama asia kuin pimeän aineen ja kaiken tavallisen aineen yleinen suhde, koska tavalliseen aineeseen kuuluvat myös esimerkiksi helium ja mahdollinen ionisoitunut kaasu.

Miksi Cloud-9 kiinnostaa kosmologeja?

ΛCDM-malli on nykykosmologian vallitseva malli, jossa maailmankaikkeuden rakenteiden muodostumista ohjaavat muun muassa kylmä pimeä aine ja kosmologinen vakio. Mallin mukaan maailmankaikkeuden varhaisen reionisaation säteily lämmitti kaasua niin, ettei se enää helposti asettunut kaikkein pienimpiin pimeän aineen haloihin.

Tässä syntyy kapea teoreettinen väli: hieman Cloud-9:ää massiivisemman halon pitäisi pystyä jäähdyttämään kaasuaan ja muodostamaan tähtiä. Selvästi pienempi halo taas ei kykenisi pitämään kaasuaan. Cloud-9 saattaa osua juuri tähän ennustettuun "makeaan kohtaan", jossa halo voi säilyttää neutraalia vetyä mutta jäädä silti lähes tähdettömäksi. 23

Siksi kohde voisi tarjota harvinaisen havainnollisen testin ΛCDM-mallin ennustamalle pienimassaisten pimeän aineen haloiden populaatiolle.

Ei vielä lopullinen vastaus

Tähdettömyys ei tarkoita, että tähtien täydellinen puuttuminen olisi aukottomasti todistettu. Se tarkoittaa, ettei niitä ole havaittu nykyisten, poikkeuksellisen tiukkojen havaintorajojen puitteissa. Myös arvio halon massasta riippuu käytetyistä malleista. 12

DESI Imaging Legacy Survey oli jo aiemmassa vaiheessa keskeinen: se ei löytänyt Cloud-9:lle optista vastinetta noin 29,15 mag/kaarisekunti²:n pintakirkkausrajaan asti. 3 Tulevat laajat H I -kartoitukset ja syvät optiset tutkimukset voivat löytää lisää vastaavia, eristyneitä ja hyvin vähämetallisia tai tähdettömiä kohteita. Silloin voidaan arvioida, onko Cloud-9 äärimmäisen harvinainen selviytyjä vai ensimmäinen havaittu jäsen kokonaisessa uudessa kohdeluokassa.