Gebündeltes Licht vom Rand des Universums

  • 17. October 2013

Zufallsfund gibt Rätsel auf: Astronomen entdecken die am weitesten entfernte Gravitationslinse

Ein Team um Arjen van der Wel vom MPI für Astronomie in Heidelberg hat die bisher am weitesten entfernte Gravitationslinse aufgespürt. Der Fund gibt auch ein Rätsel auf: Linsen dieser Art müssten äußerst selten sein. Gemessen an der Zahl der bekannten Beispiele hatten die Astronomen entweder phänomenales Glück oder, wahrscheinlicher, sie haben die Anzahl kleiner, sehr aktiver junger Galaxien im frühen Universum erheblich unterschätzt.

Die Vordergrundgalaxie erscheint orange, die Hintergrundgalaxie, die in Form eines Einsteinrings vergrößert wird, bläulich

Abb.: Die Vordergrundgalaxie erscheint in dieser Hubble-Aufnahme bläulich, die in Form eines Einsteinrings vergrößerte Hintergrundgalaxie gelb/rötlich. Der Ring misst nur 0,7 Bogensekunden, entsprechend einem Durchmesser von 19.000 Lichtjahren am Ort der Linse. (Bild: ESA / NASA / A. van der Wel)

Seit dem ersten Fund im Jahr 1979 wurden viele Gravitationslinsen entdeckt. Sie stützen nicht nur Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, sondern haben sich auch als wertvolles Werkzeug erwiesen. Insbesondere lässt sich mit ihrer Hilfe die Masse der Materie bestimmen, die das Licht ablenkt – und zwar die Gesamtmasse, einschließlich der Dunklen Materie. Darüber hinaus verstärkt die Linse wie natürliches Teleskop die Lichtquelle im Hintergrund. Liegen Beobachter, Linse und Lichtquelle exakt auf einer Linie, kann der Beobachter einen Einsteinring sehen: einen perfekten Kreis aus Licht, das verzerrte und deutlich verstärkte Bild der entfernten Lichtquelle.

Laut Arjen van der Wel vom MPIA gelang die neue Entdeckung zufällig: „Ich war gerade dabei, Beobachtungen eines früheren Projekts durchzusehen. Dessen Ziel war es gewesen, die Massen alter, weit entfernter Galaxien anhand der Bewegung ihrer Sterne zu bestimmen.“ Inmitten der Galaxienspektren bemerkte van der Wel eine höchst eigenartige Galaxie. „Sie sah aus wie ein extrem junges Milchstraßensystem und schien in einer Distanz zu liegen, die sogar noch größer war als jener Bereich, auf den wir es abgesehen hatten. Dieses Objekt hätte eigentlich gar nicht Teil unseres Beobachtungsprogramms sein dürfen.“

Bei den Daten handelte es sich um Spektren, die mit dem Large Binocular Telescope in Arizona aufgenommen worden waren. Um herauszufinden, was er da gesehen hatte, nahm van der Wel sich Aufnahmen der betreffenden Galaxie vor, die im Zuge der CANDELS- und COSMOS-Durchmusterungen am Weltraumteleskop Hubble entstanden waren. Auf den Bildern ähnelte das Objekt nun wiederum einer alten Galaxie – so, wie es dem geplanten Beobachtungsprogramm nach zu erwarten war.

Bei näherem Hinsehen fand Arjen van der Wel allerdings einige Unregelmäßigkeiten, die auf eine Gravitationslinse hinwiesen. Nachdem der Forscher alle verfügbaren Bilder miteinander kombiniert und weite Teile des Sternenlichts der Vordergrundgalaxie subtrahiert hatte, war das Ergebnis eindeutig: ein fast perfekter Einsteinring, der auf eine sehr präzise in Linie liegende Linse und eine Hintergrundquelle schließen ließ; die Abweichung betrug weniger als 0,01 Bogensekunden.

Die Gravitationslinse ist so weit entfernt, dass das Licht, nachdem es abgelenkt wird, noch 9,4 Milliarden Jahre unterwegs ist, bis es die Erde erreicht. Die Rotverschiebung betrug 1,53. Den bisherigen Rekordhalter hatten die Astronomen vor rund 30 Jahren entdeckt; bei ihm benötigt das Licht acht Milliarden Jahre, um nach seiner Ablenkung zu uns zu gelangen.

Das ist nicht nur ein neuer Rekord, sondern das Objekt erfüllt auch einen wichtigen Zweck: Das Ausmaß der Verzerrung erlaubt die direkte Bestimmung der Masse. Die üblichen Methoden zur Abschätzung der Masse weit entfernter Galaxien beruhen auf den Eigenschaften uns näher liegender Galaxien und extrapolieren diese zu größeren Abständen. Mithilfe der neuen, direkten Messungen lassen sich diese Methoden auf die Probe stellen. Und die Astronomen können aufatmen: Die Methoden bestehen den Test.

Die Entdeckung gibt den Astronomen aber auch ein Rätsel auf. Der Gravitationslinseneffekt wird nur sichtbar, wenn Lichtquelle, Linsenmasse und Beobachter mit großer Genauigkeit in einer Reihe stehen. In diesem speziellen Fall, in dem ein Einsteinring erscheint, ist die Genauigkeit sogar besonders groß. Damit nicht genug: Die Lichtquelle ist eine Starburst-Zwerggalaxie, also ein vergleichsweise massearmes Sternsystem mit nur etwa hundert Millionen Sonnenmassen, die zudem sehr jung ist – ungefähr zehn bis 40 Millionen Jahre alt – und mit einer enorm hohen Rate neue Sterne gebiert.

Die Wahrscheinlichkeit, diese spezielle Sorte von Galaxie als Lichtquelle für eine Gravitationslinse zu finden, erscheint äußerst gering. Dennoch haben die Astronomen damit schon die zweite Starburst-Zwerggalaxie in einer derartigen Konstellation gefunden. Entweder hatten die Wissenschaftler phänomenales Glück, oder aber Starburst-Zwerggalaxien sind viel häufiger als bisher angenommen – was die Theoretiker zwingen würde, ihre Modelle für die Galaxienentstehung und -entwicklung zu überdenken.

MPG / DE

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