Die Karusselllinse der gravitativ gelenkten Galaxien, wie sie vom Hubble-Weltraumteleskop gesehen wird.(Bildnachweis: William Sheu/UCLA)
Astronomen haben sieben weit entfernte Galaxien entdeckt, die zu einem Galaxienhaufen gehören; zusammen bilden sie eine der einzigartigsten Konfigurationen von Galaxien, die je gesehen wurden.
Diese Anordnung von verzerrten und gestreckten Galaxien enthält das größte „Einstein-Kreuz“, das sich auf wiederholte Ansichten derselben Galaxie im selben Bild aufgrund der Folgen der allgemeinen Relativitätstheorie – nämlich der Gravitationslinse – bezieht. Die neu entdeckten, stark linsenbehafteten Galaxien werden unter dem Begriff „Karusselllinse“ zusammengefasst. Die Galaxien scheinen in der Carousel Lens gestreckt und verwirbelt zu sein, und zwar aufgrund des Einflusses eines so genannten „linsenden Galaxienhaufens“, der sich mit 5 Milliarden Lichtjahren Entfernung näher an der Erde befindet.
Diese Entdeckung könnte zur Lösung einiger der dringendsten Rätsel der Kosmologie beitragen. Zu diesen Rätseln gehören vor allem die dunkle Energie, die unsichtbare Kraft, die die Ausdehnung des Universums beschleunigt, und die dunkle Materie, der unsichtbare Stoff, der 80 % der Materie im Kosmos ausmacht.
Die sieben einzigartigen Galaxien befinden sich in einer Entfernung von 7,6 Milliarden bis 12 Milliarden Lichtjahren von der Erde. Das ist nahe an der Beobachtungsgrenze des 13,8 Milliarden Jahre alten Kosmos, was bedeutet, dass wir selbst mit den modernsten Teleskopen nicht weiter als bis zu diesem Bereich sehen könnten. Das liegt daran, dass sich diese Region des Weltraums zu schnell von uns wegbewegt.
In der Karussell-Linse erscheinen auch einige Galaxien an mehr als einem Ort. Von besonderem Interesse für die Astronomen ist ein Einstein-Kreuz in der Karussell-Linse, das aus vier wiederholten Vorkommen der Galaxie Nummer 4 (4a, 4b, 4c und 4d im Bild unten) besteht.
„Dies ist eine erstaunlich glückliche ‚galaktische Gegenüberstellung‘ – eine zufällige Ausrichtung mehrerer Galaxien über eine Sichtlinie, die den größten Teil des beobachtbaren Universums umspannt“, sagte David Schlegel, ein leitender Wissenschaftler in der Physikabteilung des Berkeley Labs, in einer Erklärung. „Eine solche Ausrichtung zu finden, ist wie eine Nadel im Heuhaufen. Wenn man alle findet, ist das wie acht Nadeln, die genau in diesem Heuhaufen aufgereiht sind.“
Hubble-Bild der Karusselllinse mit dem Linsenhaufen in der Mitte, markiert mit Ls, und den Linsengalaxien, markiert mit 1 bis 7. Die Buchstaben geben an, wie oft dieselbe Galaxie dank des Phänomens der Gravitationslinse auftaucht. (Bildnachweis: William Sheu (UCLA) unter Verwendung von Daten des Hubble-Weltraumteleskops).
Diese Aspekte dieser galaktischen Anordnung zeigen die Feinheiten eines verblüffenden physikalischen Phänomens, das Gravitationslinsen genannt wird und erstmals 1915 von Albert Einstein vorgeschlagen wurde.
Die verzerrte Physik des Gravitationslinseneffekts
Gravitationslinsen sind ein Konzept, das aus Einsteins revolutionärster Theorie, der allgemeinen Relativitätstheorie, hervorgegangen ist. Die allgemeine Relativitätstheorie, die auch als „geometrische Theorie der Schwerkraft“ bezeichnet wird, löste die Schwerkrafttheorie von Isaac Newton ab. Sie besagt, dass das Vorhandensein von Masse im Gefüge von Raum und Zeit, die zu einer vierdimensionalen Einheit, der so genannten „Raumzeit“, vereinigt sind, dazu führt, dass dieses Gefüge „verzerrt“ wird.
Eine häufig verwendete Analogie hierfür ist die Platzierung von Bällen mit zunehmender Masse auf einer gespannten Gummilage. In dieser 2D-Analogie verursacht ein Golfball eine stärkere Krümmung als ein Tischtennisball, ein Bowlingball eine stärkere Krümmung als ein Golfball und eine Kanonenkugel eine ganz extreme Krümmung.
In der Raumzeit ergibt sich die Schwerkraft aus dieser Krümmung, d. h. je größer die „Verwerfung“ eines Objekts ist, desto größer ist sein Schwerkrafteinfluss. So haben Planeten eine stärkere Schwerkraft als Monde, Sterne eine stärkere Schwerkraft als Planeten und schwarze Löcher eine stärkere Schwerkraft als alle drei.
Dies erklärt nicht nur die Umlaufbahnen von Körpern um andere mit größerer Masse, sondern sagt uns auch etwas sehr Interessantes darüber, wie Licht von einer Raumzeitverwerfung beeinflusst wird.
3D-Darstellung von Erde und Sonne in einer verzerrten Raumzeit. Dies zeigt das Konzept der Schwerkraft und der allgemeinen Relativitätstheorie. (Bildnachweis: vchal via Shutterstock)
Obwohl sich das Licht normalerweise in einer geraden Linie bewegt, ändert die Krümmung der Raumzeit die Definition einer geraden Linie. Stellen Sie sich einfach vor, Sie zeichnen eine gerade Linie auf ein Blatt Papier, nehmen das Papier in die Hand und rollen es in verschiedene Richtungen.
Das alles bedeutet, dass ein Objekt mit enormer Masse, wie ein Galaxienhaufen, zwischen der Erde und einer Hintergrundlichtquelle wie eine Gravitationslinse wirkt und die scheinbare Position des Hintergrundobjekts am Himmel verschiebt. Das Licht eines einzelnen Objekts kann jedoch verschiedene Wege um den Linsenkörper nehmen. Je näher an der Massenkonzentration, desto stärker wird das Licht abgelenkt.
Das bedeutet, dass das Licht ein und desselben Objekts zu unterschiedlichen Zeiten auf der Erde und in unseren Teleskopen ankommen kann, was zum Beispiel den Eindruck von Verschmierungen verstärkt. Ein und dasselbe Objekt kann sogar an mehreren Stellen im selben Bild erscheinen, wobei diese Darstellungen von Bildern in kreisförmigen Anordnungen, den sogenannten Einstein-Ringen, erscheinen. Ein Einstein-Ring kann auch als Einstein-Kreuz bezeichnet werden, wenn er bestimmte Kriterien erfüllt, wie dies bei der Karussell-Linse der Fall ist.
Ein Bild der Karussell-Linse und der Region um sie herum wurde von der DESI-Durchmusterung aufgenommen. (Bildnachweis: DESI Kollaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Proctor)
In seltenen Fällen führt eine nahezu perfekte Konfiguration von Objekten zu einer starken Gravitationslinse, und genau das haben die Daten der Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Legacy Imaging Surveys und die jüngsten Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops der NASA in Form der Carousel Lens gezeigt.
„Unser Team hat nach starken Linsen gesucht und die wertvollsten Systeme modelliert“, sagte Xiaosheng Huang, ein Teammitglied und Forscher am Supernova Cosmology Project des Berkeley Lab, in der Erklärung. „Die Karussell-Linse ist eine unglaubliche Anordnung von sieben Galaxien in fünf Gruppen, die sich fast perfekt hinter der Linse des Vordergrundhaufens aufreihen. Wenn sie durch die Linse erscheinen, bilden die mehrfachen Bilder jeder der Hintergrundgalaxien annähernd konzentrische kreisförmige Muster um die Vordergrundlinse, wie bei einem Karussell.
„Es handelt sich um eine beispiellose Entdeckung, und das erstellte Berechnungsmodell bietet vielversprechende Aussichten für die Messung der Eigenschaften des Kosmos, einschließlich derjenigen der dunklen Materie und der dunklen Energie.“
Die Stärke der Karussell-Linse und das mit dem Perlmutter-Supercomputer am National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) erstellte Modell könnten bei der Erforschung der dunklen Energie und der dunklen Materie helfen, die manchmal auch als „dunkles Universum“ bezeichnet werden. „Dies ist eine äußerst ungewöhnliche Anordnung, die allein schon ein Prüfstand für kosmologische Studien sein wird“, sagte Nathalie Palanque-Delabrouille, Direktorin der Physikabteilung des Berkeley Lab, in der Erklärung. „Es zeigt auch, wie die für DESI durchgeführte Bildgebung für andere wissenschaftliche Anwendungen genutzt werden kann, z. B. für die Untersuchung der Geheimnisse der dunklen Materie und der beschleunigten Expansion des Universums, die durch dunkle Energie angetrieben wird.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
