Bild der Galaxie NGC 6505: Der von dieser Gravitationslinse erzeugte Einstein-Ring ist in der Mitte des Bildes zu sehen (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, Bildbearbeitung durch J.-C. Cuillandre, T. Li)
Das Weltraumteleskop Euclid hat zufällig seinen ersten Einsteinring entdeckt, und er ist absolut atemberaubend. Abgesehen von seinem ästhetischen Reiz hat es dieser perfekt kreisförmige Einstein-Ring den Forschern ermöglicht, die dunkle Materie im Herzen einer fast 600 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie zu „wiegen“.
Die im Juli 2023 gestartete Raumsonde der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) entdeckte ihre erste starke Gravitationslinse, als sie begann, die präziseste 3D-Karte des Universums zu erstellen, die jemals erstellt wurde.
Die Karte wird 10 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte umfassen und Wissenschaftlern helfen, die Geheimnisse des dunklen Universums zu erforschen: dunkle Materie und dunkle Energie. Daher hat Euklid den inoffiziellen Spitznamen „der Detektiv des dunklen Universums“.
Bei der fraglichen Gravitationslinse handelt es sich um die Galaxie NGC 6505, die etwa 590 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Das klingt zwar nach einer unglaublichen Entfernung, ist aber für eine Gravitationslinse relativ nah.
„Diese erste starke Gravitationslinse, die von Euclid entdeckt wurde, hat einzigartige Eigenschaften“, sagte Massimo Meneghetti, Mitglied des Teams und Forscher am Nationalen Institut für Astrophysik, in einer Erklärung. „Es ist wirklich selten, eine Galaxie zu finden, die uns relativ nahe ist, wie diese im NGC-Katalog (New Galaxy Catalog), einem der Kataloge der nahen Galaxien, die als starke Gravitationslinse wirken.“
Galaxien, die so nahe an der Milchstraße liegen, sind im Allgemeinen nicht in der Lage, das Licht von Hintergrundquellen stark genug zu bündeln, um mehrere Bilder zu erzeugen – es sei denn, sie enthalten enorme Mengen an Materie in ihren zentralen Regionen.
Ein vergrößertes Bild des Einstein-Rings, der durch die Gravitationslinse in Form der Galaxie NGC 6505 entsteht. (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, Bildbearbeitung durch J.-C. Cuillandre, T. Li)
Das Licht, das den von Euklid gesehenen perfekten Einstein-Ring bildet, stammt aus einer viel weiter entfernten Galaxie. Es ist so weit entfernt, dass es seit etwa 4,4 Milliarden Jahren zu uns unterwegs ist, was bedeutet, dass das Sonnensystem etwa 200 Millionen Jahre alt war, als es seine Quelle verließ. Das Team, das hinter dieser Forschung steht, hat sie nach ihrem Entdecker, dem Astronomen Bruno Altieri, „Altieri-Linse“ genannt. „Die Bildung vollständiger Einstein-Ringe wie der von NGC 6505 ist ein noch selteneres Ereignis, weil es voraussetzt, dass die Linsengalaxie und die Quellgalaxie perfekt mit unserem Teleskop ausgerichtet sind“, so Meneghetti weiter. „Aus diesen Gründen erwarten wir nicht, dass Euclid viele Linsen wie NGC 6505 beobachten wird. „Selbst wenn man die große Fläche des Himmels berücksichtigt, die während der Mission abgedeckt wird, erwarten wir, dass wir höchstens 20 Linsen wie diese entdecken können.“
Was sind Einstein-Ringe?
Eine Infografik erklärt die Besonderheiten des Gravitationslinsensystems (Bildnachweis: Robert Lea/NASA, ESA & L. Calçada)
Einstein-Ringe sind nach dem berühmtesten Physiker der Geschichte benannt, weil sie aus einem Element von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie von 1915 hervorgehen, dem so genannten „Gravitationslinseneffekt“.
Als Ergebnis der Gravitationslinse, wie oben erklärt, kann ein einziger Licht emittierender Hintergrundkörper an mehreren Stellen in einem einzigen Bild erscheinen, das von einem Teleskop wie Euclid aufgenommen wurde. Die Gravitationslinse NGC 6505 wurde zufällig in einem der ersten von Euclid beobachteten Himmelsbereiche entdeckt, nur zwei Monate nach dem Start im Juli 2023 und während der Verifikationsphase der Mission.
Wie oben erläutert, ist die Verteilung des Lichts einer Hintergrundquelle untrennbar mit der Masse der Gravitationslinse, in diesem Fall NGC 6505, verbunden.
Das bedeutet, dass dieser Einstein-Ring als Sonde für die Massenverteilung dieser Galaxie verwendet werden kann, einschließlich der Masse der ansonsten unsichtbaren dunklen Materie.
Bild der Galaxie NGC 6505: In der Mitte des Bildes ist der von dieser Gravitationslinse erzeugte Einstein-Ring zu sehen. (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, Bildbearbeitung durch J.-C. Cuillandre, T. Li)Da der Radius der Altieri-Linse kleiner ist als der von NGC 6505, konnte das Team außerdem die Zusammensetzung und Struktur der zentralen Regionen der Galaxie untersuchen, in denen die Sterne dominieren und die dunkle Materie weniger stark vertreten ist.
„Da Gravitationslinsen die präziseste Methode zur Messung der Masse sind, konnten wir durch die Kombination des Einstein-Ringmodells und der Verteilung der Sterne in der Galaxie messen, dass der Anteil der Masse, der aus dunkler Materie besteht, im Zentrum der Linse nur 11 Prozent beträgt“, sagte Teammitglied Giulia Despali von der Universität von Bologna. „Wir erinnern uns daran, dass die dunkle Materie etwa 85 Prozent der gesamten Materie in unserem Universum ausmacht, so dass die zentralen Regionen von Galaxien wirklich eigenartig sind.“
Das Team war in der Lage, die Eigenschaften von NGC 6505 genau zu messen. Dabei zeigte sich eine komplexe Struktur, die mit der Entfernung vom Zentrum variiert. Die neuen Euclid-Beobachtungen helfen uns daher, mehr über das dunkle Universum und die Prozesse der Entstehung und Entwicklung von Galaxien zu verstehen“, so Despali weiter.
Bilder wie dieser perfekte Einstein-Ring sind Ausdruck starker Gravitationslinsen, aber in Zukunft wird Euclid die geringfügige Gravitationsverzerrung der „schwachen Gravitationslinsen“ nutzen, um das dunkle Universum zu untersuchen. Obwohl Euclid voraussichtlich nur etwa 20 starke Gravitationslinsen-Ereignisse wie die Altieri-Linse aufdecken wird, wird das Weltraumteleskop voraussichtlich über hunderttausend andere Gravitationslinsen in den 14.000 Quadratgrad des Himmels finden, die es während seiner Mission beobachten wird.
Das Ergebnis wird eine detaillierte Karte der Verteilung der sichtbaren und dunklen Materie in Galaxien und Galaxienhaufen in verschiedenen Entfernungen zum lokalen Universum sein. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Montag (10. Februar) in der Zeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.
