Was ist Gravitational Lensing?
Wenn die Schwerkraft auf die Spitze getrieben wird, kann sie einige faszinierende visuelle Effekte erzeugen, die sich mit dem Hubble-Satelliten gut beobachten lassen. In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie wird beschrieben, wie Massenkonzentrationen den sie umgebenden Raum verzerren. Eine Gravitationslinse kann entstehen, wenn eine riesige Menge an Materie, wie z. B. ein Galaxienhaufen, ein Gravitationsfeld erzeugt, das das Licht von weit entfernten Galaxien verzerrt und vergrößert, die sich hinter ihm, aber in der gleichen Sichtlinie befinden. Der Effekt ist wie der Blick durch ein riesiges Vergrößerungsglas. Er ermöglicht es den Forschern, die Details früher Galaxien zu studieren, die zu weit entfernt sind, um mit den heutigen Technologien und Teleskopen gesehen zu werden.
Kleinere Objekte, wie einzelne Sterne, können ebenfalls als Gravitationslinsen wirken, wenn sie vor weiter entfernten Sternen vorbeiziehen. Für ein paar Tage oder Wochen erscheint das Licht des entfernteren Sterns vorübergehend heller, weil es durch die Schwerkraft des näheren Objekts vergrößert wird. Dieser Effekt wird als Gravitationsmikrolinseneffekt bezeichnet.
Die einfachste Form des Gravitationslinseneffekts tritt auf, wenn sich im Zentrum eine einzige Materiekonzentration befindet, wie beispielsweise der dichte Kern einer Galaxie. Das Licht einer weit entfernten Galaxie wird um diesen Kern herum umgelenkt, wodurch oft mehrere Bilder der Hintergrundgalaxie entstehen. Wenn sich die Linsenstruktur der perfekten Symmetrie nähert, entsteht ein vollständiger oder fast vollständiger Lichtkreis, ein so genannter Einstein-Ring. Die Hubble-Beobachtungen haben dazu beigetragen, die Zahl der den Astronomen bekannten Einsteinringe erheblich zu erhöhen.
Komplexere Gravitationslinsen entstehen bei der Beobachtung von massiven Galaxienhaufen. Die Verteilung der Materie in einem Galaxienhaufen hat zwar im Allgemeinen ein Zentrum, ist aber nie kreisförmig symmetrisch und kann sehr klumpig sein. Hintergrundgalaxien werden durch den Haufen gelinsent und ihre Bilder erscheinen oft als kurze, dünne „Linsenbögen“ um die Außenbezirke des Haufens.
Diese Linsenbilder dienen auch als Sonden für die Materieverteilung im Galaxienhaufen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der größte Teil der Materie in einem Galaxienhaufen nicht in den sichtbaren Galaxien oder dem heißen Gas um sie herum enthalten ist und kein Licht aussendet, weshalb sie als dunkle Materie bezeichnet wird. Die Verteilung der Linsenbilder spiegelt die Verteilung der gesamten Materie wider, sowohl der sichtbaren als auch der dunklen. Die Hubble-Bilder der Gravitationslinsen wurden verwendet, um Karten der dunklen Materie in Galaxienhaufen zu erstellen.
Eine Karte der Materie in einem Galaxienhaufen trägt wiederum zu einem besseren Verständnis und einer besseren Analyse der gravitativ gelinsene Bilder bei. Ein Modell der Materieverteilung kann helfen, mehrere Bilder derselben Galaxie zu identifizieren oder vorherzusagen, wo die am weitesten entfernten Galaxien in einem Galaxienhaufenbild wahrscheinlich erscheinen werden. Die Astronomen arbeiten zwischen den Gravitationslinsen und der Materieverteilung in Galaxienhaufen, um unser Verständnis von beiden zu verbessern.
Da sehr weit entfernte Galaxien sehr schwach sind, erweitern Gravitationslinsen den Blick von Hubble tiefer in das Universum. Gravitationslinsen verzerren nicht nur das Bild einer Hintergrundgalaxie, sie können auch ihr Licht verstärken. Wenn Hubble durch einen linsenförmigen Galaxienhaufen blickt, kann es schwächere und weiter entfernte Galaxien sehen, als es sonst möglich wäre. Es ist, als hätte man eine zusätzliche Linse, die so groß ist wie der Galaxienhaufen. Das Projekt Frontier Fields hat mehrere Galaxienhaufen untersucht, ihre Linsen- und Materieverteilung gemessen und eine Sammlung dieser am weitesten entfernten Galaxien identifiziert.
Die vielfältigen Linsenbilder von Kreuzen, Ringen, Bögen und mehr sind sowohl faszinierend als auch informativ. Die Gravitationslinsen untersuchen die Verteilung der Materie in Galaxien und Galaxienhaufen und ermöglichen Beobachtungen des fernen Universums. Die Daten von Hubble werden auch als Grundlage und Leitfaden für das James Webb Space Telescope dienen, dessen Infrarotbeobachtungen noch weiter in den Kosmos vordringen werden.
