Cloud-9 bez ani jednej gwiazdy? Nowe obserwacje wzmacniają zagadkę „ciemnej galaktyki”

Cloud-9 to zwarty obłok neutralnego wodoru atomowego (H I) znajdujący się w pobliżu galaktyki spiralnej Messier 94. Astronomowie rozważają możliwość, że jest to prawdziwie niemal bezgwiezdna „ciemna galaktyka”: gaz utrzymywany przez halo ciemnej materii, z bardzo małą liczbą gwiazd albo bez wykrywalnego składnika gwiazdowego. To obecnie najsilniejszy kandydat na RELHIC (Reionization-Limited H I Cloud), czyli obłok H I ograniczony skutkami rejonizacji, choć wciąż jest to interpretacja danych, a nie ostateczny dowód. 23

Obraz głębszy dziesięciokrotnie — i nadal pustka

Zespół kierowany przez Ignacio Trujillo wykorzystał kamerę HiPERCAM na teleskopie Gran Telescopio Canarias. Uzyskano granice jasności powierzchniowej 31,4 mag/arcsec² w filtrze g oraz 31,0 mag/arcsec² w filtrze r — około dziesięć razy słabsze od wcześniejszych głębokich zdjęć tego obszaru. Mimo tego w centralnym polu 1′ × 1′, odpowiadającym około 1,3 × 1,3 kpc, czyli mniej więcej 4200 lat świetlnych, nie wykryto rozproszonej emisji gwiazdowej. 1

Jeżeli w tym rejonie istnieją gwiazdy tworzące starą populację ubogą w metale, obserwacje ograniczają ich gęstość powierzchniową do około 0,01 masy Słońca na parsek kwadratowy, a łączną masę do mniej niż 16 tys. mas Słońca. To ograniczenie wynika z pomiaru zintegrowanego światła i jest niezależne od wcześniejszych poszukiwań pojedynczych gwiazd za pomocą Teleskopu Hubble’a — zarazem pozostaje z nimi zgodne. 12

Dużo gazu, niemal żadnego światła

Dane radiowe wskazują, że Cloud-9 jest obiektem zwartym, dynamicznie chłodnym i najwyraźniej nierotującym. Zawiera około miliona mas Słońca neutralnego wodoru. 2 Modele używane do interpretacji pomiarów sugerują halo o masie rzędu 5 miliardów mas Słońca. W zestawieniu wyłącznie z masą neutralnego wodoru daje to często przytaczany stosunek około 5000:1.

To ważne zastrzeżenie: nie jest to standardowy stosunek całej ciemnej materii do wszystkich barionów, czyli zwykłej materii. Do tej ostatniej należą także hel oraz ewentualny gaz zjonizowany.

Dlaczego Cloud-9 może być kosmicznym „punktem równowagi”

W symulacjach opartych na modelu ΛCDM — standardowym kosmologicznym modelu z zimną ciemną materią i stałą kosmologiczną — rejonizacja ogrzała gaz międzygalaktyczny. Utrudniło mu to osiadanie w najmniejszych halach ciemnej materii.

W konsekwencji nieco masywniejsze halo niż to proponowane dla Cloud-9 powinno dostatecznie skutecznie chłodzić gaz, by rozpocząć formowanie gwiazd. Halo wyraźnie mniej masywne powinno zaś gaz utracić lub w ogóle nie zdołać go zatrzymać. Cloud-9 może więc znajdować się w przewidywanym wąskim „sweet spocie”: zakresie mas, w którym halo zachowuje neutralny wodór, ale pozostaje praktycznie bezgwiezdne. 23

Ważny test, ale nie ostateczny werdykt

Jeśli interpretacja się utrzyma, Cloud-9 może stanowić obserwacyjny test przewidywanej przez ΛCDM populacji małomasywnych hal ciemnej materii. Jednocześnie określenie „bezgwiezdny” należy rozumieć precyzyjnie: oznacza brak gwiazd wykrywalnych przy wyjątkowo rygorystycznych obecnych limitach, a nie absolutne wykazanie, że nie istnieje tam ani jedna gwiazda. Również oszacowanie masy halo zależy od zastosowanego modelu. 12

W historii obiektu istotną rolę odegrał już przegląd obrazowy DESI Imaging Legacy Survey: wcześniejsze badanie nie znalazło optycznego odpowiednika do granicy około 29,15 mag/arcsec². Przyszłe szerokoobszarowe przeglądy H I oraz głębokie badania optyczne mogą wykryć kolejne zwarte, izolowane i skrajnie ubogie w metale — lub bezgwiezdne — obiekty. Pozwoli to sprawdzić, czy Cloud-9 jest rzadkim ocalałym wyjątkiem, czy pierwszym rozpoznanym przedstawicielem większej populacji. 3