Was Gravitationslinsen über das All verraten

Die größten bekannten Materieansammlungen im Universum sind Galaxienhaufen. Durch ihre enorme Anziehungskraft lenken sie sogar das Licht ab – sie wirken wie eine gigantische Linse.

Galaxienhaufen vereinen eine Vielzahl gewaltiger Galaxien in sich und dominieren mit ihrer enormen Anziehungskraft weite Teile ihrer Umgebung. Sie verbiegen sogar das Licht dahinter liegender Objekte. Weil hier die Schwerkraft, die Gravitation, für das Ablenken verantwortlich ist, spricht man von Gravitationslinsen.

Auf der Erde sehen Astronomen das weit hinter dem Haufen liegende Objekt verzerrt, vergrößert und zum Teil deutlich verstärkt. Oftmals sehen Forscher zudem mehrere Bilder eines einzigen Objekts – was nach einem kosmischen Taschenspielertrick klingt, ist eines der spektakulärsten und ästhetischsten Phänomene im gesamten Kosmos.

Der Galaxienhaufen Abell 2218

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. Ein klares Zeichen dafür, dass hier zwei Galaxenhaufen miteinander 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 vergrößernde Wirkung des Gravitationslinseneffekts wären diese jungen Galaxien gar nicht zu sehen. Abell 2218 ist ein natürliches Vergrößerungsglas – ein riesiges natürliches Teleskop!

Der Galaxienhaufen Cl2244-02

Beim Galaxienhaufen Cl2244-02 haben Astronomen mithilfe des Very Large Telescopes der Europäischen Südsternwarte ESO einen riesigen leuchtenden Bogen untersucht. Dieser zeigt eine enorme Detailfülle. Dank der präzisen VLT-Technik konnten die Forscher anhand 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 für Astronomen 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 beobachteten Effekte 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.

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 Hintergrundgalaxien leider recht selten sind, weichen die Forscher auf Quasare aus, die leuchtkräftigsten und am weitesten entfernten Objekte im All – von ihnen kennt man mehr Gravitationslinsen.

Forscher messen die Bildaufspaltung und vergleichen ihre Ergebnisse dann mit Werten, die Modelle über den Aufbau der Welt vorhersagen. 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.“

Verbogenes Licht und die Ausdehnung des Kosmos

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 sogenannte 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“, berichtet Wambsganß. Noch ist die Anzahl der bekannten Gravitationslinsen zu gering, um wirklich verlässliche statistische Aussagen über die Modelle vom Aufbau der Welt zu machen.

Aus eins mach vier

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!

Mitte der 1960er 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 also 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 – schlechte Chancen für ein derart aufwendiges Projekt. Bis heute sind nur wenige wirklich gute „Beobachtungsreihen“ zustande gekommen. Einige weitere Versuche laufen – vielleicht gibt es bald einen viel verprechenden direkten Wert der Hubble-Konstante.

Schiefe Bilder durch starke 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 Licht ferner Galaxien kommt nicht ganz ungestört 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 bananenförmig.

Das VLT auf der Suche nach Dunkler Materie

Die Dunkle Materie zwischen uns und der Galaxie hat das Bild gewissermaßen verzerrt – so wie Bodenkacheln eines Schwimmbeckens durch das Wasser betrachtet verformt 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 – sie könnte auch rein zufällig eine ungewöhnliche Form aufweisen. Das Team um Peter Schneider sucht Gebiete am Himmel, in denen 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.“

Astronomen zeichnen mittlerweile geradezu kosmische Landkarten, wie die Dunkle Materie das All durchzieht. „Auf den Materiekarten sehen wir auch deutlich ausgeprägte Dichtemaxima, 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“, erklärt Schneider. Die Wissenschaftler haben also dort, wo viel Dunkle Materie vorliegen muss, auch große Ansammlungen von leuchtenden Galaxien gefunden.

„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 zehn Milliarden Jahre alt war“, so Schneider. Die Dunkle Materie hat im Lauf der Zeit ein gewaltiges Netz aus Wänden und Haufen gesponnen. Die leuchtenden Galaxien sind gleichsam nur die Schaumkronen im Meer der Dunklen Materie.