Cloud-9 blijft onzichtbaar: ultradiepe opname vindt geen sterren in mysterieuze waterstofwolk

Cloud-9 is een compacte wolk van neutraal atoomwaterstof (H I) in de buurt van het spiraalstelsel Messier 94. Astronomen zien het object als een bijzonder sterke kandidaat voor een vrijwel sterloos ‘donker sterrenstelsel’: gas dat wordt vastgehouden door een halo van donkere materie, met weinig of mogelijk helemaal geen sterren. De aanduiding RELHIC — Reionization-Limited H I Cloud — is vooralsnog een interpretatie en geen definitief bewijs. 23

Tien keer dieper gekeken, nog steeds geen sterlicht

Het team onder leiding van Ignacio Trujillo gebruikte HiPERCAM op de Gran Telescopio Canarias. Daarmee haalden zij limieten voor oppervlaktehelderheid van 31,4 mag/boogseconde² in de g-band en 31,0 in de r-band: ongeveer tien keer zwakker, dus dieper, dan eerdere diepe beelden van dit gebied.

Toch verscheen er geen diffuse steremissie in het centrale vak van 1′ × 1′. Op de afstand van Cloud-9 komt dat neer op circa 1,3 × 1,3 kiloparsec, ofwel ruwweg 4.200 × 4.200 lichtjaar. 1

De onderzoekers kunnen daarmee ook begrenzen hoeveel sterren zich er eventueel nog zouden kunnen verbergen. Voor een oude, metaalarmoede sterrenpopulatie ligt de bovengrens op ongeveer 0,01 zonsmassa per vierkante parsec, en minder dan 16.000 zonsmassa’s aan sterren in totaal. Die conclusie uit geïntegreerd licht staat los van, maar is in overeenstemming met, een eerdere zoektocht van de Hubble-ruimtetelescoop naar afzonderlijk zichtbare sterren. 12

Veel gas, vermoedelijk een grote halo

Radiowaarnemingen wijzen erop dat Cloud-9 compact is, dynamisch koud en ogenschijnlijk niet roteert. De wolk bevat naar schatting ongeveer 1 miljoen zonsmassa’s aan neutraal waterstof. 2

Modellen die de waarnemingen duiden, komen uit op een massa voor de halo van de orde van 5 miljard zonsmassa’s. Vergeleken met uitsluitend de H I-massa levert dat de vaak genoemde verhouding van circa 5.000 op 1 tussen halo en neutraal waterstof op. Dat is nadrukkelijk niet hetzelfde als de gebruikelijke verhouding tussen donkere materie en alle gewone materie: ook helium en geïoniseerd gas behoren tot die laatste categorie.

De theoretische ‘sweet spot’

In het standaard kosmologische ΛCDM-model verwarmde de reïonisatie — de periode waarin straling van de eerste bronnen het intergalactische gas ioniseerde — het gas tussen sterrenstelsels. Daardoor kon gas zich niet gemakkelijk in de kleinste halo’s verzamelen.

Volgens de modellen ligt Cloud-9 in een smal tussengebied. In zwaardere halo’s zou gas voldoende kunnen afkoelen om sterren te vormen. In veel lichtere halo’s zou het gas verloren gaan of nooit behouden blijven. Cloud-9 zou dus precies in de theoretisch voorspelde ‘sweet spot’ kunnen vallen: zwaar genoeg om H I vast te houden, maar te licht om een zichtbare sterrenpopulatie te vormen. 23

Dat maakt het object relevant als mogelijke toets voor de door ΛCDM voorspelde populatie van lichte halo’s van donkere materie. Tegelijk is voorzichtigheid nodig: ‘sterloos’ betekent hier dat er bij de huidige, uitzonderlijk strenge detectielimieten geen sterren zijn gevonden. Het bewijst niet absoluut dat er nul sterren bestaan, en de geschatte halomassa blijft afhankelijk van modellen. 12

Waar astronomen nu naar zoeken

De DESI Imaging Legacy Survey speelde al een rol bij de eerste zoektocht: daarin werd geen optische tegenhanger gezien tot ongeveer 29,15 mag/boogseconde². 3

Toekomstige grootschalige H I-onderzoeken en diepe optische surveys kunnen uitwijzen of Cloud-9 een zeldzaam overblijfsel is, of de eerste van een grotere populatie compacte, geïsoleerde en extreem metaalarmoede of sterloze objecten.