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Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching

Kosmisches Licht auf krummen Touren

Kosmisches Licht auf krummen Touren

Albert Einstein hatte sie vorhergesagt, moderne Großteleskope haben sie entdeckt – und Klaus Dolag simuliert sie am Computer: Gravitationslinsen. Der wissenschaftliche Mitarbeiter am Garchinger Max-Planck-Institut für Astrophysik und an der Universitäts-Sternwarte München nutzt dieses physikalische Phänomen, um Galaxienhaufen zu wiegen oder der ominösen Dunklen Materie nachzuspüren.
„Um die Stelle stehen nämlich zahlreiche kleine Nebelfleckchen so dicht beisammen, dass man beim Anblick der Gegend förmlich über das merkwürdige Aussehen dieses ,Nebelhaufens‘ erschrickt.“ Diese Zeilen schrieb 1901 der Heidelberger Astronom Max Wolf über den Galaxienhaufen im Sternbild Haar der Berenike. So ähnlich erscheint auch der Haufen Abell 2218 dem heutigen Betrachter auf diesem Bild des Weltraumteleskops Hubble. Das „merkwürdige Aussehen“ – die vielen blauen und orangefarbenen Bögen – geht in diesem Fall auf die Wirkung einer Gravitationslinse zurück. Bild vergrößern
„Um die Stelle stehen nämlich zahlreiche kleine Nebelfleckchen so dicht beisammen, dass man beim Anblick der Gegend förmlich über das merkwürdige Aussehen dieses ,Nebelhaufens‘ erschrickt.“ Diese Zeilen schrieb 1901 der Heidelberger Astronom Max Wolf über den Galaxienhaufen im Sternbild Haar der Berenike. So ähnlich erscheint auch der Haufen Abell 2218 dem heutigen Betrachter auf diesem Bild des Weltraumteleskops Hubble. Das „merkwürdige Aussehen“ – die vielen blauen und orangefarbenen Bögen – geht in diesem Fall auf die Wirkung einer Gravitationslinse zurück. [weniger]

TEXT HELMUT HORNUNG

Der Himmel über Principe war bedeckt, die Stimmung im Lager auf der Kokosplantage am Nullpunkt. Wochenlang waren die Männer von England zur Vulkaninsel im Golf von Guinea unterwegs gewesen, mit dem Ziel, Wissenschaftsgeschichte zu schreiben. Man wollte nichts Geringeres, als eine kühne Theorie beweisen, die ein deutscher Physiker namens Albert Einstein kürzlich veröffentlicht hatte. Danach sollte die Schwerkraft einer Masse den Raum verbiegen, ähnlich einer Bleikugel, die ein Gummituch eindellt. Lässt man nun eine Murmel auf die Kugel zulaufen, wird sie vom ursprünglich geraden Weg abkommen und – je nach Anfangsgeschwindigkeit – eine mehr oder weniger gekrümmte Bahn zurücklegen. Heute, am 29. Mai 1919, ließ sich diese Voraussage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie auf der Insel Principe überprüfen. Und dann die Misere mit dem Wetter!

Die von dem Astronomen Arthur Stanley Eddington geleitete Expedition hatte allerdings weder Tuch noch Kugel dabei, sondern Teleskop und Kamera. Damit wollten die Forscher eine totale Sonnenfinsternis aufnehmen. Der Test war einfach: Wenn eine Masse den Raum verbiegt, müsste auch das Tagesgestirn das an ihm vorüberziehende Licht der Sterne aus der geraden Bahn werfen. Das heißt: Die in unmittelbarer Nachbarschaft der schwarzen Sonne befindlichen Lichtpünktchen sollten im Vergleich zu ihrer wahren Position am Firmament um einen winzigen Betrag verschoben sein. Dazu hatte Eddington ein halbes Jahr zuvor das Sternfeld ohne störendes Tagesgestirn mit denselben Instrumenten aufgenommen, die er jetzt ungeduldig auf die wolkenbedeckte, langsam dunkler werdende Sonne richtete.

Virtuelle Teleskope spähen ins Weltall

Und der Astronom wurde für seine Ausdauer belohnt. Während der Totalität rissen die Wolken für einige Augenblicke auf, Eddington gelangen zwei Aufnahmen. „Lights All Askew In The Heavens” titelte am 10. November 1919 die NEW YORK TIMES. Die „verschobenen Lichter am Himmel” bewiesen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie stimmte – und begründeten den Mythos Albert Einstein. Neuere Auswertungen der Eddington’schen Ergebnisse zeigen, dass die damals gemessenen Werte zwar den Voraussagen entsprachen, aber offenbar auf einen zufällig genauso großen Instrumentenfehler zurückgehen. Bis heute wurde der Gravitationseffekt jedoch mehrfach gemessen und perfekt bestätigt, Zweifel besteht daran keiner mehr. So muss sich Klaus Dolag auch gar nicht mit irgendwelchen Beweisen beschäftigen. Er arbeitet schlicht damit – und wendet das physikalische Prinzip an, um Galaxienhaufen zu wiegen oder der im Universum verborgenen Materie auf die Schliche zu kommen.

Im Grunde funktioniert eine Gravitationslinse nach Gesetzen, wie sie auch in der Optik gelten. Als Glas wirkt allerdings eine große Masse – etwa eine Galaxie oder ein Galaxienhaufen. Bild vergrößern
Im Grunde funktioniert eine Gravitationslinse nach Gesetzen, wie sie auch in der Optik gelten. Als Glas wirkt allerdings eine große Masse – etwa eine Galaxie oder ein Galaxienhaufen. [weniger]

Der wissenschaftliche Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astrophysik und an der Universitäts-Sternwarte München ist darüber hinaus nicht auf wolkenlosen Himmel angewiesen: Klaus Dolag forscht mit Computersimulationen und erschafft dabei virtuelle Teleskope. Um das zu verstehen, tauchen wir noch einmal in die Geschichte ein. Aufgrund der Tatsache, dass die Sonne die Bahn des Sternlichts verbiegt, hatte Albert Einstein 1936 in der Zeitschrift SCIENCE spekuliert, dass ein Stern das Licht eines dahinterliegenden Objekts – das sich im leeren Raum geradlinig ausbreitet – ähnlich einer Glaslinse ablenken könnte. Auf diese Weise sollte das Licht dieses Objekts verstärkt werden wie mit einer Lupe, durch die man Sonnenstrahlen fallen lässt; außerdem könnten Mehrfachbilder ein und desselben Objekts entstehen.

Einstein selbst glaubte nicht an einen Nachweis

Im Jahr 1937 brachte der Schweizer Astronom Fritz Zwicky die Möglichkeit einer als Linse wirkenden Galaxie ins Spiel, die verzerrte Bilder hinter ihr und damit weiter entfernt liegender Milchstraßensysteme liefert. Dabei werden je nach räumlicher Orientierung von Beobachter, Linse und Objekt unterschiedliche Bilder erzeugt. Befinden sich alle drei exakt auf einer Linie (der optischen Achse), so entsteht ein Ring. Liegen sie abseits der optischen Achse, erscheinen die Abbildungen der Hintergrundquellen als mehr oder weniger stark gekrümmte Bögen. Als Linsen wirken nicht nur einzelne Objekte wie Galaxien, sondern häufig Galaxienhaufen – Ansammlungen gigantischer Materiekonzentrationen, die man als viele, vergleichsweise eng zusammenstehende Milchstraßensysteme beobachtet.

Was den praktischen Nachweis des Gravitationslinseneffekts betrifft, blieb Albert Einstein skeptisch. Der Effekt – insbesondere der nach ihm benannte Ring – sei zu klein: „Natürlich gibt es keine Hoffnung, das Phänomen direkt zu beobachten.“ Im Jahr 1979 entdeckten Forscher den ersten Quasar, dessen Licht vom Gravitationsfeld einer auf der Sichtlinie zur Erde liegenden Galaxie in mehrere Bilder aufgespalten wird. Quasare sind die aktiven Kerne junger Galaxien, die durch massereiche Schwarze Löcher zu einem sehr hohen Energieausstoß getrieben werden.

Art und Form der gelinsten Bilder folgen den gravitationsoptischen Gesetzen. So lassen sich, ähnlich wie in der klassischen Optik, aus den kosmischen Bildern wichtige Rückschlüsse ziehen, etwa auf das Linsenmaterial oder die Beschaffenheit des Mediums, sprich auf die Massenverteilung innerhalb der Galaxien oder die Struktur des Raums. Galaxienhaufen interessieren Forscher wie Klaus Dolag besonders: „Es sind die größten, durch die Schwerkraft aneinander gebundenen Systeme im Universum. Daher bewirken sie besonders deutliche Gravitationslinseneffekte.“ Das erklärt auch ihren vielfältigen Nutzen für die Wissenschaft. Worin besteht dieser?

Betrachten wir als Beispiel den rund zwei Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxienhaufen Abell 2218 im Sternbild Drache. Auf den Aufnahmen großer Fernrohre zeugen Dutzende kleiner Lichtbögen in unterschiedlichen Farben und Formen von Galaxien, die mehr als sechs Milliarden Lichtjahre hinter Abell 2218 liegen und ohne seine Wirkung gar nicht zu sehen wären. Kurz: Gravitationslinsen fungieren als natürliche Teleskope. So führte die gewaltige Lupenwirkung des Haufens Abell 1689 zur Entdeckung einer der fernsten bisher bekannten Galaxien. Wir sehen sie heute im Licht, das sie 700 Millionen Jahre nach dem Urknall ausgesandt hat.

 
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