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Sechs Instanzen desselben Quasars in einem JWST-Bild, das die Entdeckung des ersten Einstein-Zickzacks anzeigt (Bildnachweis: Dux et al. 2024)

Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop haben Astronomen den ersten „Einstein-Zickzack“ entdeckt, ein Bild eines Quasars, das sich sechsmal in einem einzigen Bild wiederholt. Die Anordnung entstand dank eines von Albert Einstein 1915 erstmals vorgeschlagenen Effekts, der „Gravitationslinsen“ genannt wird, und könnte den Wissenschaftlern helfen, eine Krise in der Kosmologie abzuwenden.

Dieses System mit der Bezeichnung J1721+8842 besteht aus einem Quasar – einem extrem hellen galaktischen Kern -, der von zwei weit voneinander entfernten, aber perfekt zueinander ausgerichteten Galaxien gelinsert wird. Diese Sichtung ist nicht nur unglaublich selten und ein faszinierendes Beispiel für ein merkwürdiges raumzeitliches Phänomen, das in Albert Einsteins Hauptwerk, der Allgemeinen Relativitätstheorie, eingeführt wurde, sondern J1721+8842 hat auch eine Kraft, die herkömmliche Gravitationslinsen nicht haben.Der erste Einstein-Zickzack, den die Menschheit gesehen hat, könnte Wissenschaftlern helfen, zwei der größten Rätsel der Kosmologie zu lösen. Das erste Rätsel betrifft die Natur der dunklen Energie oder der Kraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt und etwa 70 % des kosmischen Energie- und Materiehaushalts ausmacht, und das zweite hat mit einer Diskrepanz zu tun, die Wissenschaftler bei der Messung der Expansionsgeschwindigkeit des Universums feststellen: die Hubble-Konstante.

„Ich bin begeistert, nicht nur, weil dies ein faszinierendes Naturphänomen ist, sondern auch, weil dieses System unglaublich vielversprechend für die Messung kosmologischer Parameter ist“, sagte Martin Millon, Mitglied des Entdeckungsteams und Kosmologe an der Stanford University, gegenüber kosmischeweiten.de. „Dieses Linsensystem bietet das Potenzial, sowohl die Hubble-Konstante als auch die Zustandsgleichung der dunklen Energie streng zu kontrollieren, was normalerweise nicht möglich ist.“

Was ist eigentlich eine Gravitationslinse?

Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Objekte mit Masse eine Krümmung in der Struktur von Raum und Zeit verursachen, die als eine einzige Einheit, die „Raumzeit“ genannt wird, vereint sind. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto größer ist die „Delle“, die es in der Raumzeit verursacht. Da die Schwerkraft aus dieser Krümmung resultiert, ist der Einfluss der Schwerkraft umso größer, je mehr Masse ein Objekt hat.

Gravitationslinsenbildung tritt auf, wenn das Licht einer Hintergrundquelle auf seinem Weg zur Erde an einem massiven Linsenkörper vorbeifliegt und daher der daraus resultierenden Krümmung des Raums folgt, wodurch seine eigene Bahn gekrümmt wird. Das Licht dieser Hintergrundquelle nimmt also verschiedene Wege um eine Gravitationslinse herum und nähert sich der linsenförmigen Masse in unterschiedlichen Entfernungen, die unterschiedlich stark gekrümmt sind. Das bedeutet, dass das Licht derselben Hintergrundquelle zu unterschiedlichen Zeiten am selben Teleskop ankommen kann, so dass ein und derselbe Licht emittierende Hintergrundkörper an mehreren Stellen in einem einzigen Bild erscheinen kann. Diese Objekte können Anordnungen wie Einsteinringe, Einsteinkreuze und, in diesem derzeit einzigartigen Fall, einen Einstein-Zickzack bilden.

Ein Diagramm zeigt, wie die Krümmung der Raumzeit zu Gravitationslinsenbildung führt. (Bildnachweis: NASA, ESA & L. Calçada)

Das JWST war nicht das erste Teleskop, das J1721+8842 entdeckte. Der linsenbehaftete Quasar, der aus hell leuchtendem Gas und Staub um ein supermassereiches Schwarzes Loch besteht, wurde 2017 von Cameron Lemon mit dem Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS) am Haleakala Observatory auf Hawaii entdeckt.

Zunächst schien der Quasar nur viermal in der Linse zu sein. Die Empfindlichkeit des JWST hat jedoch gezeigt, dass zwei Galaxien diesen weit entfernten Quasar tatsächlich sechsmal mit Linsen versehen, wobei die entferntere Galaxie in dieser Anordnung auch von der näheren Galaxie mit Linsen versehen wird. „Normalerweise bilden Gravitationslinsen, die von einer einzelnen Galaxie erzeugt werden, je nach Ausrichtung entweder zwei oder vier Bilder der Hintergrundquelle. In diesem Fall gibt es eine außergewöhnliche Ausrichtung zwischen zwei Galaxien und einem Hintergrund-Quasar, die eine seltene Sechs-Bilder-Konfiguration bildet“, ‚Wir nannten es einen ‘Einstein-Zickzack‘, weil der optische Pfad von zwei der multiplen Bilder an der ersten Galaxie auf der einen Seite vorbeiführt, bevor er von der zweiten Galaxie auf der anderen Seite abgelenkt wird. Dieser optische Pfad erzeugt ein Zickzack-Muster zwischen den beiden Galaxien.“

J1721+8842, wie er im Rahmen des Pan-STARRS-Projekts im Jahr 2017 beobachtet wurde, scheint aus nur vier Instanzen eines linsenförmigen Quasars zu bestehen. (Bildnachweis: Pan-STARRS/ Lemon (2017))Frédéric Dux, Hauptautor der Studie und Wissenschaftler am EPFL-Labor für Astrophysik, sagte gegenüber kosmischeweiten.de, dass dies das erste Mal ist, dass Wissenschaftler eine solch perfekte Ausrichtung zwischen drei verschiedenen Körpern gefunden haben, die eine Gravitationslinse erzeugen. „Normalerweise umfasst eine Gravitationslinse nur zwei Objekte, zum Beispiel eine Galaxie, die als Linse fungiert, und eine andere Galaxie dahinter, die als Quelle fungiert und deren Licht von der Galaxie im Vordergrund gebeugt wird“, sagte Dux. „Natürlich gibt es viele Fälle, in denen die Linsenwirkung von mehreren Galaxien gleichzeitig ausgeht, wie etwa bei Galaxienhaufen-Linsen. In diesen Fällen werden die Effekte der verschiedenen Ablenker auf schwache Weise kombiniert. Eine einzelne Galaxie allein würde nicht als perfekte Linse wirken. Die Ausrichtung ist einfach nicht gut genug.“

Das ist bei J1721+8842 jedoch nicht der Fall.

Die nächstgelegene Galaxie in dieser Linse ist so weit entfernt, dass ihr Licht seit 2,3 Milliarden Jahren zur Erde unterwegs ist, während das Licht der weiter entfernten Galaxie seit 10 Milliarden Jahren zu uns unterwegs ist. Trotz der großen Entfernung zwischen diesen beiden Galaxien sind sie laut Dux so gut aufeinander abgestimmt, dass sie beide das Licht einer etwa 11 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar-Quelle auffangen, während die Vordergrund-Galaxie auch das Licht der dazwischen liegenden Galaxie aufnimmt. Wir gehen davon aus, dass einer von 50.000 linsenbehafteten Quasaren eine solche Konfiguration aufweist … und wir kennen insgesamt nur etwa 300 linsenbehaftete Quasare, wir hatten also großes Glück, diesen zu finden!“ sagte Dux. „Wir werden vielleicht für lange Zeit keinen anderen finden, wenn überhaupt.“

Einstein-Zickzack könnte eine kosmologische Krise lösen

Dux erklärte, dass das Team bereits an aktualisierten Modellen von J1721+8842 arbeitet, um die Hubble-Konstante zu messen.

„Die meisten linsenbehafteten Quasare können für diesen Zweck verwendet werden, aber die Tatsache, dass dieser Quasar zwei verschiedene Linsen hat, macht das Linsenmodell sehr viel genauer, und die Unsicherheit des Wertes der Hubble-Konstante wird kleiner sein“, sagte Dux. „Das ist sehr interessant in einer Zeit, in der die Kosmologie aufgrund der sogenannten Hubble-Spannung in einer potenziellen Krise steckt.“

Die Hubble-Spannung ergibt sich aus der Tatsache, dass die Messung der Hubble-Konstante in der Frühzeit des Universums und die Extrapolation der Entwicklung dieses Wertes über 13,8 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte (unter Verwendung des besten kosmologischen Modells) zu demselben Wert führen sollte, den die Astronomen messen, wenn sie das lokale Universum beobachten und somit die Hubble-Konstante in ihrem heutigen Alter messen. Es besteht jedoch eine starke Diskrepanz zwischen den beiden Ergebnissen.

„In beiden Fällen kann es Messfehler geben. Bevor wir also eine endgültige Krise ausrufen, müssen wir weiter nach möglichen Fehlern suchen und unsere Messungen verfeinern“, so Dux. „Durch die Verringerung der Unsicherheiten bei diesen Messungen könnte diese Einstein-Zickzack-Linse den erreichten Wert und den beobachteten Wert der Hubble-Konstante näher zusammenbringen.

Ein Bild von J1721+8842 mit den sechs Erscheinungen des Hintergrundquasars, die mit den Buchstaben A bis F gekennzeichnet sind (Bildnachweis: Dux, et al, 2017)

„Darüber hinaus kann diese Linse auch gleichzeitig verwendet werden, um die Zustandsgleichung der dunklen Energie des Universums einzuschränken“, sagte Dux. „Das ist sehr interessant, da diese Größe und die Hubble-Konstante typischerweise entartet sind, was bedeutet, dass wir beide Knöpfe in verschiedene Richtungen bewegen können und die Beobachtungsdaten trotzdem gut passen. Mit diesem System könnten wir diese Entartung aufheben“, so der Forscher, was es ermöglichen würde, mit J1721+8842 beide Werte gleichzeitig zu bestimmen, was normalerweise nicht möglich ist. Der Forscher fügte hinzu, dass dies derzeit in Arbeit ist, aber noch viel theoretische Arbeit und die Entwicklung einer technischen Infrastruktur erforderlich sind, bevor das Team die beiden Werte, die sie untersuchen wollen, auf „sichere“ Weise messen kann, um mögliche Verzerrungen und Fehler zu vermeiden. „J1721+8842 hat andere Anwendungen, wie zum Beispiel die Untersuchung der weiter entfernten Linsengalaxie“, sagte Dux. „Da sie sowohl als Linse als auch als Lichtquelle fungiert und als verzerrter roter Bogen erscheint, können wir ihre Masse genau bestimmen. Außerdem haben wir ein wunderschönes Spektrum von der JWST-Beobachtung, um die Sternentstehungsgeschichte dieser Galaxie und die Klumpenbildung ihrer Materie zu untersuchen. Dies ist die erste echte Chance, solche Fragen für eine so weit entfernte Galaxie zu beantworten.“

Obwohl das JWST bei der Entdeckung der wahren Natur von J1721+8842 als Einstein-Zickzack ein wesentlicher Faktor war, ist es möglicherweise nicht das beste Instrument für die Suche nach weiteren dieser schwer fassbaren Anordnungen.

„Das JWST bietet wahnsinnig tiefe Beobachtungen für kleine Bereiche des Himmels. Um weitere Einstein-Zacken zu entdecken, müssen wir den gesamten Himmel untersuchen“, sagte Dux. „Gaia und Himmelsdurchmusterungen wie Pan-STARRS, Euclid oder die zukünftige Vera Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) sind die richtigen Werkzeuge für diese Suche. Wir erwarten, dass wir mit dem Vera Rubin LSST und der Euclid-Mission viele weitere finden werden. Ob wir über einen weiteren Zickzack-Quasar stolpern, wird Glückssache sein. „Die Forschungsergebnisse des Teams sind als Pre-Print auf dem Paper Repository arXiv verfügbar.