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Ein Blick auf eine Supernova mit Gravitationslinsen, aufgenommen mit dem James Webb Space Telescope (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Frye (University of Arizona), R. Windhorst (Arizona State University), S. Cohen (Arizona State University), J. D’Silva (University of Western Australia, Perth), A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute), J. Summers (Arizona State University)).

Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop haben Astronomen ein atemberaubendes Bild einer weit entfernten Supernova in einer Galaxie aufgenommen, die aussieht, als würde sie wie warmer Toffee gedehnt.

Der goldene Fleck, hinter dem sich diese gravitationsgelenkte Supernova verbirgt, die den Spitznamen „Supernova Hope“ trägt, ist jedoch nicht nur wegen seines ästhetischen Wertes bemerkenswert. Die Supernova, die explodierte, als das 13,8 Milliarden Jahre alte Universum gerade einmal 3,5 Milliarden Jahre alt war, sagt uns etwas über ein großes Problem in der Kosmologie, die sogenannte „Hubble-Spannung“.

Die Hubble-Spannung rührt daher, dass sich die Wissenschaftler nicht auf die genaue Expansionsrate des Universums einigen können, die durch die Hubble-Konstante bestimmt wird. Grundsätzlich kann die Rate ausgehend vom lokalen (und daher jungen) Universum gemessen werden und dann weiter in der Zeit zurückgehen – oder sie kann ausgehend vom fernen (und daher frühen) Universum berechnet werden und sich dann nach oben arbeiten. Das Problem ist, dass beide Methoden Werte liefern, die nicht miteinander übereinstimmen. An dieser Stelle kommt das James Web Space Telescope (JWST) ins Spiel.

Gravitationsgelenkte Supernovae im frühen Kosmos, die das JWST beobachtet, könnten eine dritte Möglichkeit zur Messung der Rate bieten und möglicherweise zur Lösung dieses „Hubble-Problems“ beitragen.

„Die Supernova wurde ‚Supernova Hope‘ genannt, da sie den Astronomen Hoffnung gibt, die sich verändernde Expansionsrate des Universums besser zu verstehen“, sagte Brenda Frye, Leiterin des Studienteams und Forscherin an der Universität von Arizona, in einer Erklärung der NASA.

Die Untersuchung der Supernova Hope begann, als Frye und ihr globales Team von Wissenschaftlern drei merkwürdige Lichtpunkte in einem JWST-Bild eines entfernten, dicht gepackten Galaxienhaufens entdeckten. Diese Lichtpunkte auf dem Bild waren nicht sichtbar, als das Hubble-Weltraumteleskop 2015 denselben Galaxienhaufen, bekannt als PLCK G165.7+67.0 oder, einfacher gesagt, G165, abbildete.

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„Alles begann mit einer Frage des Teams: ‚Was sind diese drei Punkte, die vorher nicht da waren? Könnte das eine Supernova sein?’“ sagte Frye. „Erste Analysen bestätigten, dass diese Punkte einem explodierenden Stern entsprachen, einem mit seltenen Eigenschaften.“

Der Raum um G165 wurde für das PEARLS-Programm ausgewählt, weil er sich mitten in der „Starburst“-Phase befindet, einer Periode intensiver Sternentstehung, in der pro Jahr 300 Sonnenmassen an Sternen entstehen. Solch hohe Sternentstehungsraten korrelieren mit einer höheren Anzahl von Supernovaexplosionen.

Eine Supernova vom Typ Ia ist in dieser künstlerischen Darstellung zu sehen. (Bildnachweis: ESA)

Supernova Hope ist eine spezielle Art von Supernova, die als Supernova vom Typ Ia bezeichnet wird. Diese Supernovas treten in Doppelsternsystemen auf, die einen Hauptreihenstern wie die Sonne und einen Stern enthalten, der seinen Brennstoff für die Kernfusion aufgebraucht hat und zu einer toten Hülle, einem so genannten Weißen Zwerg, geworden ist.

Wenn diese Sterne nahe genug beieinander stehen, kann der tote Stern wie ein kosmischer Vampir wirken, der dem lebenden Stern, dem „Spenderstern“, Plasma entzieht. In der Folge sammelt sich das Material an, bis es eine thermonukleare Explosion auslöst – Explosionen, die wir als Supernovae vom Typ Ia kennen. Aufgrund der Gleichmäßigkeit ihrer Lichtblitze sind diese Supernovae ein hervorragendes Instrument für die Astronomen, um kosmische Entfernungen zu messen. Astronomen bezeichnen Supernovae des Typs Ia daher auch als „Standardkerzen“.

Eine Möglichkeit, einen Wert für die Hubble-Konstante zu erhalten, besteht darin, Supernovae des Typs Ia im lokalen Universum zu beobachten, um ihre Entfernungen von uns und voneinander zu messen, und dann zu ermitteln, wie schnell sie sich zurückziehen. Die andere Hauptmethode zur Messung der Expansion des Universums besteht darin, Beobachtungen des fernen Universums zu machen und dann durch Ableitung zu berechnen, wie schnell sich der Kosmos ausdehnt.

Aber auch hier sind sich diese Methoden nicht einig. Die Supernova Hope könnte jedoch als Brücke zwischen den beiden Methoden dienen.

Einstein packt mit an

Gravitationslinsen sind ein Effekt, der in Albert Einsteins 1915 entstandenem Hauptwerk der Gravitationstheorie, der „allgemeinen Relativitätstheorie“, vorhergesagt wurde. Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Objekte mit Masse eine Verkrümmung der Raumzeit, der vierdimensionalen Einheit von Raum und Zeit, verursachen, wobei die Gravitation aus dieser Krümmung resultiert. Je größer die Masse des Objekts ist, desto extremer ist die Raumkrümmung und desto größer ist der Gravitationseinfluss, den dieses Objekt hat. Dies führt dazu, dass Monde Planeten umkreisen, Planeten Sterne umkreisen und Sterne supermassive schwarze Löcher umkreisen.

Diese Verformung der Raumzeit hat noch einen weiteren interessanten Effekt. Wenn Licht ein Objekt mit einem starken Verformungseinfluss passiert, ein Objekt, das wir jetzt „Gravitationslinse“ nennen, wird der Weg des Lichts um die Verformung des Objekts herum gebogen. Welchen Weg das Licht nimmt, hängt davon ab, wie nahe es der Gravitationslinse kommt.

Das bedeutet, dass das Licht von ein und demselben Objekt unterschiedlich stark und unterschiedlich lang gekrümmte Wege nehmen kann. Daher kann dieses Licht bei Teleskopen wie dem JWST zu unterschiedlichen Zeiten ankommen. Auf diese Weise kann ein linsenbehaftetes Hintergrundobjekt „verschmiert“ wie Toffee erscheinen oder an mehreren Stellen im selben Bild auftauchen.

Das ist es, was mit der Supernova Hope auf diesem Bild passiert, wenn ihr Licht die Gravitationslinse G165 passiert.

Diese Illustration zeigt ein Phänomen, das als Gravitationslinse bekannt ist und von Astronomen zur Untersuchung sehr weit entfernter und sehr schwacher Galaxien verwendet wird. (Bildnachweis: NASA, ESA & L. Calçada)

„Die Gravitationslinse ist wichtig für dieses Experiment. Die Linse, bestehend aus einem Galaxienhaufen, der sich zwischen der Supernova und uns befindet, beugt das Licht der Supernova in mehrere Bilder“, so Frye. „Das ist so ähnlich, wie ein dreifacher Kosmetikspiegel drei verschiedene Bilder von einer Person zeigt, die davor sitzt.“

Der Forscher der University of Arizona erklärte, dass der Effekt direkt vor den Augen des Teams auf dem JWST-Bild von G165 demonstriert wurde, wo das mittlere Supernova-Bild im Vergleich zu den anderen beiden Bildern gespiegelt erschien.

„Um drei Bilder zu erhalten, bewegte sich das Licht auf drei verschiedenen Wegen. Da jeder Weg unterschiedlich lang war und das Licht sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegte, wurde die Supernova in dieser JWST-Beobachtung zu drei verschiedenen Zeitpunkten während ihrer Explosion abgebildet“, so Frye weiter. „In der Analogie des dreifachen Spiegels ergab sich eine Zeitverzögerung, in der der rechte Spiegel eine Person zeigte, die einen Kamm anhob, der linke Spiegel zeigte Haare, die gekämmt wurden, und der mittlere Spiegel zeigte die Person, die den Kamm ablegte.

„Dreifache Supernova-Bilder sind etwas Besonderes. Die Zeitverzögerungen, die Entfernung der Supernova und die Eigenschaften der Gravitationslinse ergeben einen Wert für die Hubble-Konstante.“

Ein genauerer Blick auf das galaktische Toffee, das drei Supernova-Hope-Fälle enthält. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Frye (University of Arizona), R. Windhorst (Arizona State University), S. Cohen (Arizona State University), J. D’Silva (University of Western Australia, Perth), A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute), J. Summers (Arizona State University)).

Das Team verfolgte die Supernova Hope mit dem JWST sowie mit einigen erdgebundenen Instrumenten, darunter das 6,5-Meter-Teleskop MMT auf dem Mount Hopkins und das Large Binocular Telescope auf dem Mount Graham, beide in Arizona gelegen.

Dadurch konnte das Team bestätigen, dass die Supernova Hope in einer Hintergrundgalaxie weit hinter dem Linsenhaufen G165 verankert ist. Das Licht der kosmischen Explosion ist seit 10,3 Milliarden Jahren auf dem Weg zur Erde, was bedeutet, dass dieser Weiße Zwerg nur 3,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall explodiert ist.

„Ein anderes Teammitglied führte eine weitere Messung der Zeitverzögerung durch, indem es die Entwicklung des Lichts analysierte, das vom JWST in seine einzelnen Farben oder sein ‚Spektrum‘ zerlegt wurde, und bestätigte damit die Natur der Supernova Hope vom Typ Ia“, sagte Frye. „Supernova Hope ist eine der am weitesten entfernten Supernovas vom Typ Ia, die bisher beobachtet wurden“.

Trotz ihrer Existenz im frühen Universum scheint der Wert der Hubble-Konstante, der sich aus den Beobachtungen der Supernova Hope ergibt, mit den Messungen anderer Standardkerzen im lokalen Universum übereinzustimmen und steht somit im Widerspruch zu den Messungen anderer Objekte im frühen Universum.

„Die Ergebnisse unseres Teams sind beeindruckend“, schloss Frye. „Der Wert der Hubble-Konstante stimmt mit anderen Messungen im lokalen Universum überein und steht in gewisser Weise im Widerspruch zu Werten, die in der Frühzeit des Universums ermittelt wurden. Die JWST-Beobachtungen in Zyklus 3 werden die Unsicherheiten verbessern und eine genauere Bestimmung der Hubble-Konstante ermöglichen.“

Die Forschungsarbeit des Teams wird derzeit vor der Veröffentlichung von Fachkollegen geprüft.