Cloud-9 może być galaktyką, która nigdy nie zapaliła gwiazd

Cloud-9 to zwarty obłok neutralnego wodoru — astronomowie oznaczają go jako H I — znajdujący się na obrzeżach pobliskiej galaktyki spiralnej Messier 94 (M94). Jest obecnie najsilniejszym znanym kandydatem na RELHIC (Reionization-Limited H I Cloud), czyli halo ciemnej materii, które po epoce rejonizacji Wszechświata zachowało część gazu, lecz najwyraźniej nie zdołało utworzyć wykrywalnej galaktyki gwiazd. 2

Obraz dziesięć razy głębszy — i nadal żadnego światła gwiazd

Zespół prowadzony przez Ignacio Trujillo wykorzystał kamerę HiPERCAM na 10,4-metrowym Gran Telescopio Canarias (GTC) na La Palmie. Obserwacje optyczne osiągnęły granice jasności powierzchniowej 31,4 mag/sekundę łuku² w filtrze g oraz 31,0 mag/sekundę łuku² w filtrze r. To około dziesięciokrotnie większa czułość niż w poprzednich głębokich obrazach tego obszaru. 1

Mimo tego w centralnym obszarze Cloud-9 o rozmiarze 1′ × 1′ — odpowiadającym około 1,3 × 1,3 kpc, czyli mniej więcej 4200 × 4200 lat świetlnych — nie wykryto rozproszonego światła gwiazd. 1

Jeśli wewnątrz obłoku istnieje bardzo stara i uboga w metale populacja gwiazd, jej gęstość powierzchniowa nie może przekraczać około 0,01 masy Słońca na parsek kwadratowy. Dla badanego obszaru oznacza to łączną masę najwyżej około 16 tys. mas Słońca. 1

Dlaczego to ważne

Wynik z HiPERCAM jest niezależnym potwierdzeniem wcześniejszych danych z Teleskopu Hubble’a, opartych na zliczaniu pojedynczych rozdzielonych gwiazd. Obie metody wskazują, że w położeniu Cloud-9 nie kryje się zwykła, bardzo słaba galaktyka karłowata. 12

Pomiary radiowe wskazują, że obłok zawiera około miliona mas Słońca neutralnego wodoru. Jeśli gaz jest utrzymywany grawitacyjnie, całkowita masa otaczającego go halo wynosi około 5 miliardów mas Słońca. Układ byłby więc zdominowany przez ciemną materię: stosunek masy całkowitej do masy wykrytego wodoru jest rzędu 5000:1. 2

Kosmiczny „złoty środek”

Interpretacja teoretyczna zakłada, że Cloud-9 leży w szczególnym zakresie mas. Nieco masywniejsze halo powinno zgromadzić gęstszy gaz i rozpocząć formowanie gwiazd. Z kolei mniej masywne najpewniej utraciłoby gaz: zostałby on zjonizowany przez promieniowanie albo usunięty. 2

Nie jest to bezpośrednie wykrycie ciemnej materii ani ostateczny dowód, że w Cloud-9 nie ma absolutnie żadnych gwiazd. Są to jednak wyjątkowo rygorystyczne ograniczenia ich możliwej liczby. Dlatego obiekt stanowi szczególnie przekonujący obserwacyjny odpowiednik przewidywań modelu ΛCDM, według którego wiele niskomasowych halo ciemnej materii powinno pozostawać ciemnych lub niemal ciemnych. 12

Co dalej?

Wcześniejsze ograniczenia optyczne wykorzystywały dane z DESI Imaging Legacy Survey. Przyszłe szerokie i głębokie przeglądy optyczne oraz obserwacje H I mogą pokazać, czy Cloud-9 jest rzadkim wyjątkiem, czy też reprezentuje liczniejszą populację. Szczególnie obiecujące są izolowane, zawierające gaz i skrajnie ubogie w metale galaktyki karłowate oraz podobnie zwarte obłoki H I. 3