Diese Momentaufnahme des Hubble-Weltraumteleskops zeigt drei vergrößerte Bilder einer entfernten Galaxie, die in einen Galaxienhaufen eingebettet ist. Diese Bilder werden durch einen Trick der Natur erzeugt, der als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Die immense Gravitation des Galaxienhaufens vergrößert und verzerrt das Licht der dahinter liegenden fernen Galaxie, wodurch die multiplen Bilder entstehen. Der Galaxienhaufen, katalogisiert als SDSS J223010.47-081017.8, ist 7 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Hubble hat viele Galaxien mit Gravitationslinsen beobachtet. Die in diesem Hubble-Schnappschuss entdeckten Bilder sind jedoch einzigartig. Zwei der vergrößerten Bilder, die im Auszug unten rechts zu sehen sind, sind exakte Kopien voneinander. Die beiden hellen Ovale sind die Kerne der Galaxie. Dieses seltene Phänomen tritt auf, weil die Hintergrundgalaxie eine Welle im Raumgefüge überspannt. Diese „Welle“ ist ein Bereich der größten Vergrößerung, der durch die Schwerkraft dichter Mengen dunkler Materie verursacht wird, dem unsichtbaren Klebstoff, der den größten Teil der Masse des Universums ausmacht. Wenn Licht von der weit entfernten Galaxie den Haufen entlang dieser Welligkeit durchdringt, werden zwei Spiegelbilder zusammen mit einem dritten Bild erzeugt, das seitlich zu sehen ist. Eine Nahaufnahme des dritten Bildes ist im Auszug oben rechts zu sehen. Dieses Bild ähnelt am ehesten der entfernten Galaxie, die sich mehr als 11 Milliarden Lichtjahre entfernt befindet. Basierend auf einer Rekonstruktion dieses Bildes stellten die Forscher fest, dass die ferne Galaxie einer kantigen, vergitterten Spirale mit fortlaufender, klumpiger Sternentstehung erscheint. Die Spiegelbilder werden nach dem Astronomen, der sie entdeckt hat, „Hamiltons Objekt“ genannt. Bildnachweis: Joseph DePasquale (STScI)
Der Blick ins Universum ist wie ein Blick in einen Funhouse-Spiegel. Das liegt daran, dass die Schwerkraft das Raumgefüge verzerrt und optische Täuschungen erzeugt.
Viele dieser optischen Täuschungen treten auf, wenn das Licht einer fernen Galaxie vergrößert, gestreckt und aufgehellt wird, wenn es eine massereiche Galaxie oder einen Galaxienhaufen davor durchquert. Dieses Phänomen, das als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird, erzeugt mehrere, gestreckte und aufgehellte Bilder der Hintergrundgalaxie.
Dieses Phänomen ermöglicht es Astronomen, Galaxien zu studieren, die so weit entfernt sind, dass sie nur durch die Auswirkungen der Gravitationslinsen sichtbar werden. Die Herausforderung besteht darin, die fernen Galaxien aus den durch Linsenbildung erzeugten seltsamen Formen zu rekonstruieren.
Aber Astronomen, die die Hubble-Weltraumteleskop stieß bei der Analyse von Quasaren, den lodernden Kernen aktiver Galaxien, auf eine solche seltsame Form. Sie entdeckten zwei helle, lineare Objekte, die Spiegelbilder voneinander zu sein schienen. Ein weiteres seltsames Objekt war in der Nähe.
Die Merkmale verwirrten die Astronomen so sehr, dass sie mehrere Jahre brauchten, um das Geheimnis zu lüften. Mit Hilfe zweier Gravitationslinsen-Experten stellten die Forscher fest, dass die drei Objekte die verzerrten Bilder einer weit entfernten, unentdeckten Galaxie waren. Die größte Überraschung war jedoch, dass die linearen Objekte exakte Kopien voneinander waren, ein seltenes Ereignis, das durch die genaue Ausrichtung der Hintergrundgalaxie und des Linsenhaufens im Vordergrund verursacht wurde.
3D-Animation, die das Hubble-Weltraumteleskop über der Erde zeigt. Quelle: ESA/Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)
Astronomen haben einige ziemlich seltsame Dinge gesehen, die über unser riesiges Universum verstreut sind, von explodierenden Sternen bis hin zu kollidierenden Galaxien. Man könnte also meinen, dass sie, wenn sie ein seltsames Himmelsobjekt sehen, es identifizieren können.
Aber NASA‘s Hubble-Weltraumteleskop entdeckte scheinbar ein Paar identischer Objekte, die so seltsam aussehen, dass Astronomen mehrere Jahre brauchten, um herauszufinden, was sie sind.
„Wir waren wirklich ratlos“, sagte der Astronom Timothy Hamilton von der Shawnee State University in Portsmouth, Ohio.
Die Oddball-Objekte bestehen aus einem Paar Galaxienwülste (dem zentralen sterngefüllten Zentrum einer Galaxie) und mindestens drei fast parallelen Split Streaks. Hamilton entdeckte sie zufällig, als er mit Hubble eine Sammlung von Quasaren, den brennenden Kernen aktiver Galaxien, untersuchte.
Nachdem Hamilton und das wachsende Team um Richard Griffiths von der University of Hawaii in Hilo nach Sackgassentheorien gejagt, um Hilfe von Kollegen gebeten und viel Kopfzerbrechen gemacht haben, haben sie endlich alle Hinweise zusammengetragen, um das Rätsel zu lösen.
Die linearen Objekte waren die gestreckten Bilder einer weit entfernten Galaxie mit Gravitationslinse, die sich mehr als 11 Milliarden Lichtjahre entfernt befindet. Und sie schienen Spiegelbilder voneinander zu sein.
Das Team entdeckte, dass die immense Schwerkraft eines dazwischenliegenden und nicht katalogisierten Galaxienhaufens im Vordergrund den Raum verzerrte, das Bild einer weit entfernten Galaxie dahinter vergrößerte, aufhellte und streckte, ein Phänomen, das als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Obwohl Hubble-Untersuchungen viele dieser durch Gravitationslinsen verursachten Verzerrungen des Funhouse-Spiegels aufdecken, war dieses Objekt einzigartig verwirrend.
In diesem Fall erzeugt eine präzise Ausrichtung zwischen einer Hintergrundgalaxie und einem Vordergrundgalaxienhaufen doppelt vergrößerte Kopien desselben Bildes der entfernten Galaxie. Dieses seltene Phänomen tritt auf, weil die Hintergrundgalaxie eine Welle im Raumgefüge überspannt. Diese „Welle“ ist ein Bereich der größten Vergrößerung, der durch die Schwerkraft dichter Mengen dunkler Materie verursacht wird, dem unsichtbaren Klebstoff, der den größten Teil der Masse des Universums ausmacht. Wenn Licht von der weit entfernten Galaxie den Haufen entlang dieser Welligkeit durchdringt, werden zwei Spiegelbilder zusammen mit einem dritten Bild erzeugt, das seitlich zu sehen ist.
Griffiths vergleicht diesen Effekt mit den hellen Wellenmustern auf dem Boden eines Schwimmbeckens. „Stellen Sie sich die geriffelte Oberfläche eines Schwimmbeckens an einem sonnigen Tag vor, die helle Lichtmuster auf dem Boden des Beckens zeigt“, erklärte er. „Diese hellen Muster auf der Unterseite werden durch einen ähnlichen Effekt wie der Gravitationslinseneffekt verursacht. Die Wellen auf der Oberfläche wirken als Teillinsen und bündeln das Sonnenlicht in helle, verschnörkelte Muster auf der Unterseite.“
In der fernen Galaxie mit Gravitationslinse vergrößert und verzerrt die Welligkeit das Licht der Hintergrundgalaxie, das durch den Haufen geht, stark und verzerrt es. Die Welligkeit wirkt wie ein unvollkommener kurviger Spiegel, der die Doppelkopien erzeugt.
Das Rätsel lösen
Aber dieses seltene Phänomen war nicht bekannt, als Hamilton 2013 die seltsamen linearen Merkmale entdeckte.
Als er die Quasarbilder durchsah, fiel der Schnappschuss der gespiegelten Bilder und der parallelen Streifen auf. Hamilton hatte so etwas noch nie zuvor gesehen, und andere Teammitglieder auch nicht.
„Mein erster Gedanke war, dass sie vielleicht mit Galaxien mit ausgestreckten Armen interagieren“, sagte Hamilton. “Es hat nicht wirklich gepasst, aber ich wusste nicht, was ich sonst denken sollte.”
Also begannen Hamilton und das Team ihre Suche, das Geheimnis dieser verlockenden geraden Linien zu lösen, die später nach ihrem Entdecker Hamiltons Objekt genannt wurden. Sie zeigten Kollegen auf Astronomiekonferenzen das seltsame Bild, das eine Vielzahl von Reaktionen hervorrief, von kosmischen Strings bis hin zu planetarischen Nebeln.
Aber dann bot Griffiths, der nicht zum ursprünglichen Team gehörte, die plausibelste Erklärung, als Hamilton ihm das Bild 2015 bei einem NASA-Treffen zeigte. Es war ein vergrößertes und verzerrtes Bild, das durch ein Linsenphänomen ähnlich dem in Hubble verursacht wurde Bilder anderer massereicher Galaxienhaufen, die Bilder von sehr weit entfernten Galaxien verstärken. Griffiths bestätigte diese Idee, als er in einer von Hubbles Deep-Cluster-Untersuchungen von einem ähnlichen linearen Objekt erfuhr.
Die Forscher hatten jedoch noch ein Problem. Sie konnten den Linsencluster nicht identifizieren. Normalerweise sehen Astronomen, die Galaxienhaufen untersuchen, zuerst den Vordergrundhaufen, der die Linsenbildung verursacht, und finden dann die vergrößerten Bilder entfernter Galaxien innerhalb des Haufens. Eine Suche in den Bildern der Sloan Digital Sky Survey ergab, dass sich ein Galaxienhaufen im selben Gebiet wie die vergrößerten Bilder befand, aber in keiner katalogisierten Durchmusterung auftauchte. Die Tatsache, dass sich die seltsamen Bilder im Zentrum eines Haufens befanden, machte Griffiths jedoch klar, dass der Haufen die Linsenbilder produzierte.
Der nächste Schritt der Forscher bestand darin, zu bestimmen, ob die drei Linsenbilder den gleichen Abstand hatten und daher alle verzerrten Porträts derselben weit entfernten Galaxie waren. Spektroskopische Messungen mit den Gemini- und WM-Keck-Observatorien auf Hawaii halfen den Forschern bei dieser Bestätigung und zeigten, dass die Linsenbilder von einer Galaxie stammten, die sich mehr als 11 Milliarden Lichtjahre entfernt befindet.
Die entfernte Galaxie, basierend auf einer Rekonstruktion des dritten Linsenbildes, scheint eine kantenförmige, vergitterte Spirale mit fortlaufender, klumpiger Sternentstehung zu sein.
Ungefähr zur gleichen Zeit wie die spektroskopischen Beobachtungen von Griffiths und Studenten in Hilo identifizierte eine separate Forschergruppe in Chicago den Haufen und maß seine Entfernung mit Sloan-Daten. Der Cluster befindet sich mehr als 7 Milliarden Lichtjahre entfernt.
Aber mit sehr wenigen Informationen über den Haufen kämpfte Griffiths’ Team immer noch damit, diese ungewöhnlichen Linsenformen zu interpretieren. „Diese Gravitationslinse unterscheidet sich stark von den meisten Linsen, die Hubble zuvor untersucht hat, insbesondere bei der Hubble Frontier Fields-Durchmusterung von Clustern“, erklärte Griffiths. „Man muss nicht lange auf diese Cluster starren, um viele Linsen zu finden. In diesem Objekt ist dies die einzige Linse, die wir haben. Und wir wussten zuerst nicht einmal von dem Cluster.“
Das Unsichtbare kartieren
Zu diesem Zeitpunkt rief Griffiths eine Expertin für Gravitationslinsentheorie an, Jenny Wagner von der Universität Heidelberg in Deutschland. Wagner hatte ähnliche Objekte studiert und zusammen mit seinem Kollegen Nicolas Tessore, jetzt an der University of Manchester in England, eine Computersoftware entwickelt, um einzigartige Objektive wie dieses zu interpretieren. Ihre Software half dem Team herauszufinden, wie alle drei Linsenbilder entstanden sind. Sie kamen zu dem Schluss, dass die dunkle Materie um die gestreckten Bilder in kleinen Maßstäben „weich“ im Raum verteilt werden muss.
„Es ist toll, dass wir nur zwei Spiegelbilder brauchen, um zu verstehen, wie klumpig oder nicht dunkle Materie an diesen Positionen sein kann“, sagte Wagner. „Hier verwenden wir keine Objektivmodelle. Wir nehmen nur die Observablen der multiplen Bilder und die Tatsache, dass sie ineinander transformiert werden können. Sie können nach unserer Methode ineinander gefaltet werden. Das gibt uns bereits eine Vorstellung davon, wie glatt die Dunkle Materie an diesen beiden Positionen sein muss.“
Dieses Ergebnis ist wichtig, sagte Griffiths, weil Astronomen fast ein Jahrhundert nach ihrer Entdeckung immer noch nicht wissen, was Dunkle Materie ist. „Wir wissen, dass es sich um eine Form von Materie handelt, aber wir haben keine Ahnung, was das konstituierende Teilchen ist. Wir wissen also nicht, wie es sich verhält. Wir wissen nur, dass es Masse hat und der Schwerkraft unterliegt. Die Bedeutung der Größengrenzen für die Verklumpung oder Glätte besteht darin, dass sie uns einige Hinweise darauf geben, was das Teilchen sein könnte. Je kleiner die Klumpen der Dunklen Materie sind, desto massereicher müssen die Teilchen sein.“
Das Papier des Teams erscheint in der September-Ausgabe von Die monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Referenz: „Hamiltons Objekt – eine klumpige Galaxie, die die Gravitationskaustik eines Galaxienhaufens überspannt: Beschränkungen der Verklumpung dunkler Materie“ von Richard E. Griffiths, Mitchell Rudisel, Jenny Wagner, Timothy Hamilton, Po-Chieh Huang und Carolin Villforth, 17. Mai 2021, Die monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab1375
Das Hubble-Weltraumteleskop ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA (European Space Agency). Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, führt Hubble-Forschungsoperationen durch. STScI wird für die NASA von der Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, DC betrieben