Wenn sich die Bilder biegen - was Gravitationslinsen über das All verraten

Der Galaxienhaufen Abell 2218

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Der Galaxienhaufen Abell 2218 mit vielen verformten Bildern dahinter liegender Objekte

Die größten bekannten zusammenhängenden Materieansammlungen im Universum sind Galaxienhaufen. Sie vereinen eine Vielzahl gewaltiger Galaxien und dominieren mit ihrer enormen Anziehungskraft weite Teile ihrer Umgebung.

Aber Massen ziehen sich nicht nur gegenseitig an. Galaxienhaufen lenken mit ihrer Materie sogar das Licht dahinter liegender Objekte ab - sie wirken wie eine gigantische Linse. Weil hier die Schwerkraft, die Gravitation, für das Ablenken verantwortlich ist, spricht man von Gravitationslinsen. Auf der Erde sehen die Astronomen dann das weit hinter dem Haufen liegende Objekt verzerrt, vergrößert und zum Teil deutlich verstärkt. Oftmals sehen die Forscher zudem mehrere Bilder eines einzigen Objekts - was nach einem kosmischen Taschenspielertrick klingt, ist eines der spektakulärsten und ästhetischsten Phänomene im gesamten Kosmos.

Ein besonders schönes Beispiel ist der Galaxienhaufen Abell 2218, den das Hubble-Weltraumteleskop beobachtet hat. Der Haufen befindet sich zwei Milliarden Lichtjahre entfernt im Sternbild Drache - seine Galaxien erscheinen auf der Aufnahme in gelblichen Tönen, typisch für recht alte Sterne. Die massereichen elliptischen Galaxien ballen sich im Haufenzentrum - kleinere Haufenmitglieder sind im gesamten Blickfeld zu erkennen. Rechts oben scheint sich ein kleines weiteres Haufenzentrum zu befinden - klares Zeichen, dass hier wieder einmal zwei Haufen verschmelzen. Um den Haufen erstrecken sich in vielen Farben und Formen Dutzende kleiner Lichtbögen - das verbogene Licht junger Galaxien, die mehr als sechs Milliarden Lichtjahre hinter Abell 2218 liegen. Ohne die verstärkende und vergrößende Wirkung des Gravitationslinseneffekts wären diese jungen Galaxien gar nicht zu sehen. Abell 2218 ist ein natürliches Vergrößerungsglas - ein riesiges natürliches Teleskop! Ein ganzer Schwarm von Galaxien zeigt den Forschern mit seiner unglaublichen Schwerkraft mal eben eine Ansammlung junger Galaxien weit, weit dahinter.

Beim Galaxienhaufen Cl2244-02 hat das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO einen riesigen leuchtenden Bogen untersucht - dieser Bogen zeigt eine enorm Detailfülle. Dank der präzisen VLT-Technik konnten die Astronomen mit Hilfe der Spektren die Entfernung von Haufen und gelinstem Objekt bestimmen - der Haufen ist knapp fünf Milliarden Lichtjahre entfernt, der Lichtbogen stammt von einem Objekt, das sage und schreibe fast zwölf Milliarden Lichtjahre entfernt ist.

Mit Gravitationslinsen Galaxienhaufen wiegen...

Gravitationslinsen sind nicht nur einfach schön - für Astronomen sind sie längst ein unverzichtbares Werkzeug. Denn in "gelinsten" Bildern stecken auch Informationen über den als Linse wirkenden Haufen. Die Forscher zählen einfach die Galaxien im beobachteten Haufen und schätzen damit dessen Masse ab. Dabei fällt sofort auf, dass die sichtbare Materie bei weitem nicht ausreicht, um die grandiosen Mehrfachbilder zu erzeugen. Der Galaxienhaufen muss voll von Materie sein, die wir nicht sehen! Was sich da an hellen, gelben Galaxien ballt, ist nur ein sehr kleiner Bruchteil der tatsächlichen Materie. Anders wären die brillanten Linsen nicht zu verstehen.

Der Galaxienhaufen Cl2244-02

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Der Galaxienhaufen Cl2244-02 mit einem durch den Gravitationslinseneffekt entstandenen leuchtenden Bogen

Aber es kommt noch ein weiterer, wortwörtlich allumfassender Aspekt hinzu: Gravitationslinsen verraten viel über den Aufbau des Kosmos insgesamt. Die großräumige Struktur der Materie im Weltall beeinflusst direkt die Bildaufspaltung, also den Abstand der Mehrfachbilder voneinander. Um Aussagen über die Struktur des Universums zu machen, müssen die Astronomen viele Gravitationslinsen untersuchen. Da solche Mehrfachbilder von Galaxien leider recht selten sind, weichen die Forscher auf Quasare aus, die leuchtkräftigsten und entferntesten Objekte im All - von ihnen kennt man mehr Gravitationslinsen.

Nun messen die Forscher die Bildaufspaltung und vergleichen diese Werte dann mit den von den Modellen über den Aufbau der Welt vorhergesagten. Joachim Wambsganß, Astronom an der Universität Potsdam, beschäftigt sich seit Jahren mit Gravitationslinsen - aus Anzahl und Aufspaltung der Mehrfachquasare zieht er Rückschlüsse auf Art, Menge und Verteilung der Materie im Universum.

"Wenn es sehr viele Galaxienhaufen im Universum gäbe, dann würde man sehr viele Mehrfachquasare mit großer Aufspaltung erwarten. Wenn es allerdings weniger Galaxienhaufen und sehr viel mehr kleine kompakte Strukturen wie Galaxien gibt, dann würde man eher kleinere Aufspaltungen erwarten."

Die Anzahl der mehrfach abgebildeten Quasare und die Aufspaltung ihrer Bilder enträtselt also die Verteilung der Materie im Kosmos. Denn Quasare sind äußerst hell und daher noch in großer Entfernung zu sehen. Selbst wenn der als Linse wirkende Galaxienhaufen nicht mehr zu sehen wäre, weil er zu weit entfernt ist, so sollte der gelinste Quasar noch immer auffallen.

"Es sieht so aus, dass das Standard-cold-dark-matter-universe - eines der am besten untersuchten kosmologischen Modelle - sehr viele groß aufgespaltete Bilder erzeugen würde. Aber die findet man nicht im wirklichen Universum."

Noch ist die Anzahl der bekannten Gravitationslinsen zu gering, um wirklich verlässliche statistische Aussagen über die Modelle vom Aufbau der Welt zu machen. Aber ist dieses faszinierende Phänomen eine Art Schlüsselloch, durch das die Astronomen schon bald die Struktur des Kosmos erahnen?

Trödelndes Licht und die Ausdehnung des Kosmos

Bei Mehrfachbildern von Quasaren ist nicht nur deren Aufspaltung von Interesse. Das Licht der einzelnen Bilder legt durch das All unterschiedliche Wege zurück - zum Teil sind die Strecken sogar unterschiedlich lang. Dies lässt sich messen, wenn der mehrfach abgebildete Quasar ein bisschen flackert - dann flackern die Bilder nicht gleichzeitig, sondern nacheinander, weil das Licht in den einzelnen Bildern eben unterschiedlich lange unterwegs ist. Bei manchen Quasaren - von denen sehr viele starke Helligkeitsschwankungen haben - unterscheidet sich die "Lichtlaufzeit" um mehr als 400 Tage!

Aus eins mach vier

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Aus eins mach vier - die rötliche Galaxie ist "nur" 3 Milliarden Lichtjahre entfernt und lenkt das Licht des fast genau dahinter stehenden Quasars (10 Milliarden Lichtjahre entfernt) so ab, daß vier Bilder dieses Objekts zu sehen sind.

Mitte der 60er Jahre hat der junge norwegische Astronom Sjur Refsdal - heute Professor in Hamburg - eine Methode entwickelt, wie sich direkt aus der Zeitverzögerung in den Bildern die Hubble-Konstante bestimmen lässt (vorausgesetzt, man weiß etwas über die als Linse wirkende Galaxie). Die Hubble-Konstante ist eine der fundamentalen Größen für unser Verständnis vom Aufbau und der Entwicklung des Universums - und Gegenstand jahrzehntelanger heftiger Debatten. Das Flackern eines Quasars in zwölf Milliarden Lichtjahren Entfernung liefert den Forschern einen der meistgesuchten Parameter in der Astronomie! Bei der Entwicklung dieser Methode waren Gravitationslinsen übrigens noch rein hypothetische Objekte - die erste Linse wurde erst 1979 entdeckt. Innerhalb nur weniger Jahren haben sich die Gravitationslinsen zu einem der ganz großen Themen in der Astronomie entwickelt.

Zwar gibt es "flackernde" Doppelquasare - doch die Beobachtungen sind mühsam. Man muss jahrelang möglichst jede Nacht, mindestens aber einmal wöchentlich die Helligkeit der einzelnen Quasarbilder messen. Die großen Teleskope werden immer nur für wenige Nächte vergeben - wenig Chancen für so ein aufwändiges Projekt. Bis heute sind nur wenige wirklich gute "Beobachtungsreihen" zu Stande gekommen. Einige weitere Versuche laufen - vielleicht gibt es bald einen viel verprechenden direkten Wert der Hubble-Konstanten.

Schiefe Bilder durch starke (dunkle?!) Massen

Bei Mehrfachbildern und spektakulären Lichtbögen sprechen die Astronomen vom starken Gravitationslinseneffekt. Beim "schwachen Gravitationslinseneffekt" werden die Bilder der von der Erde aus gesehen knapp neben einer Massenansammlung liegenden Galaxien nur leicht verformt.

Das VLT auf der Suche nach Dunkler Materie

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Das VLT auf der Suche nach Dunkler Materie. Links ein beobachtetes Himmelsfeld, rechts die daraus resultierende "Massenkarte". Durch Ausmessen von Form und Orientierung entfernter Galaxien schließen die Astronomen auf große Ansammlungen zumeist Dunkler Materie. Im linken Bild ist ein Galaxienhaufen markiert, der - wie der Gravitationslinseneffekt zeigt - viel Dunkle Materie enthält und auch auf der Massenkarte zu sehen ist.

Das Licht ferner Galaxien kommt nicht ganz ungeschoren an einem massereichen Haufen Dunkler Materie vorbei. Die Astronomen achten daher auf die Form der Galaxien am Himmel. Was sich als scharfes Bild einer elliptisch aussehenden Galaxie auf den Weg gemacht hat, erreicht die Erde leicht verzerrt, gleichsam bananen-förmig. Die Dunkle Materie zwischen uns und der Galaxie hat das Bild sozusagen verbeult - so wie Bodenkacheln eines Schwimmbeckens durch das Wasser betrachtet verzerrt erscheinen; nur ist dieser Effekt am Himmel viel, viel kleiner, erklärt Peter Schneider, Astronom an der Universität Bonn:

"Die typischen Änderungen der Bildelliptizitäten bewegen sich im Bereich von ein bis zwei Prozent. Das sind Effekte, die sehr schwer meßbar sind, und wir kommen damit langsam in den Bereich der Präzisionskosmologie."

Eine einzige Galaxie zu vermessen, bringt nichts - die könnte auch rein zufällig eine ungewöhnliche Form haben. Das Team um Peter Schneider sucht Gebiete am Himmel, wo alle Galaxien charakteristisch verformt sind.

"Unser bestes Resultat basiert im Moment auf etwa einer halben Million Galaxien, deren Form man vermessen hat. Aber das sind nicht so dramatische Zahlen, weil wir nun mal in einem Universum leben, in dem, wenn man nur tief genug schaut, der Himmel voll ist mit schwachen Galaxien."

Der Himmel hängt also voller Galaxien... Die Astronomen müssen nur genau genug die Form vieler Galaxien ausmessen. Nach dem Motto "Wo Rauch ist, ist auch Feuer" heißt es dann "Wo Verzerrung ist, ist auch (Dunkle) Materie". Die Astronominnen und Astronomen zeichnen mittlerweile geradezu kosmische Landkarten, wie die Dunkle Materie das All durchzieht.

"Auf den Materiekarten sehen wir auch deutlich ausgeprägte Dichte-Maxima, was ein Hinweis darauf ist, daß an der Stelle eine Konzentration Dunkler Materie ist, also zum Beispiel ein Galaxienhaufen. Einige davon sind inzwischen auch im sichtbaren Licht entdeckt und direkt mit Galaxienhaufen identifiziert worden."

Die Astronomen haben also dort, wo viel Dunkle Materie sein muß, auch große Ansammlungen von leuchtenden Galaxien gefunden. Bei flüchtigem Hinsehen sieht man nur die leuchtende Materie im Haufen - aber die verzerrten Galaxien im Hintergrund zeigen sofort, daß es in den Galaxienhaufen auch jede Menge Dunkle Materie gibt, erklärt Peter Schneider.

"Die Resultate, die aus dieser Methode herauskommen, bilden eines der Standbeine der modernen Kosmologie. Wir messen die Verteilung der Dunklen Materie zu einem Zeitpunkt, als das Universum ungefähr 10 Milliarden Jahre alt war."

Die Dunkle Materie hat im Laufe der Zeit ein gewaltiges Netz aus Wänden und Haufen gesponnen. Die leuchtenden Galaxien sind gleichsam nur die Schaumkronen im Meer der Dunklen Materie. Schon bald tauchen die Astronomen tiefer in dieses Meer ein, denn demnächst zeigen größere Kameras an den besten Teleskopen die Verzerrung ferner Galaxien noch deutlicher. Also, gute Zeiten für die Kosmologen, schlechte Zeiten für die Dunkle Materie: Allzu lange wird sie sich nicht mehr verstecken können.