Gravitationslinse

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Als Gravitationslinse bezeichnet man ein massereiches astronomisches Objekt wie etwa eine Galaxie oder eine Gruppe von Galaxien, das mit seiner Schwerkraft, Gravitation, das Licht dahinter liegender Objekte ablenkt. Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreibt ihre Wirkungsweise. Eine Gravitationslinse hat auf elektromagnetische Wellen (beliebiger Wellenlängen) eine ähnlich bündelnde Wirkung wie eine Linse auf sichtbares Licht.

Vom Prinzip her gestaltet sich die Ablenkung aber anders:

Interstellare Objekte mit einer sehr großen Masse lenken elektromagnetische Wellen in eine andere Richtung. Dementsprechend wird das Abbild des Hintergrundobjektes verlagert, verzerrt und möglicherweise vervielfacht.

Eine besondere Erscheinungsform ist Microlensing. Hier ist die Ablenkung so geringfügig, dass sie nicht als räumliche Verlagerung registriert wird, sondern sich als Helligkeitsanstieg (dann -abfall) bemerkbar macht.

Die Wirkung beruht in jedem Falle auf der durch Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie als Wirkung der Gravitation auf die Raumzeit beschriebenen Krümmung des Raumes durch massehaltige Objekte oder Energie.

Dieser Effekt kann bei einer totalen Sonnenfinsternis an Sternen nachgewiesen werden, die sehr nah an der Blickrichtung zur Sonne liegen und durch diese sonst überstrahlt werden: Die Position dieser Sterne erscheint dann geringfügig von der Sonne weg verschoben. Die entsprechende Beobachtung durch Arthur Eddington lieferte 1919 die erste experimentelle Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Einstein hielt es für möglich, dass man bei geeigneten Bedingungen Mehrfachabbildungen desselben Objektes wahrnehmen könne. Er dachte jedoch nur an Sterne als Auslöser dieses Effektes; 1937 untersuchte Fritz Zwicky die Auswirkung, die eine Galaxie als Gravitationslinse haben kann.

[Bearbeiten] Großräumige Effekte

Weit entfernte Galaxien erscheinen als Kreisabschnitte

Simulation der Lichtablenkung an einem Neutronenstern

Um eine Gravitationslinse im üblichen, also astronomischen Sinne zu erhalten, sind normalerweise die extrem intensiven Gravitationsfelder astronomischer Objekte, wie Schwarzer Löcher, Galaxien oder Galaxienhaufen nötig. Bei diesen ist es möglich, dass eine hinter der Gravitationslinse liegende Lichtquelle nicht nur verschoben erscheint, sondern dass der Beobachter mehrere Bilder sieht. Die erste solche "starke Gravitationslinse" wurde 1979 entdeckt: der „Twin Quasar“ Q0957 +561. Ein bekanntes Beispiel ist das 1985 entdeckte Einsteinkreuz im Sternbild der Fische, eine vierfache Abbildung desselben Objekts. Im Extremfall beobachtet man sogar ein linienförmiges Bild (also unendlich viele Abbildungen) einer punktförmigen Lichtquelle, dies sind die so genannten Einsteinringe.

Die erste Gravitationslinse, die nicht aus einer einzelnen Galaxie, sondern einem Galaxienhaufen (Abell 370) besteht, wurde im Jahre 1987 unabhängig voneinander von Soucail et al. und von Vahé Petrosian und Roger Lynds als solche erkannt.

[Bearbeiten] Microlensing

Anders als von Einstein angenommen (siehe oben), können auch die Effekte, die ein einzelner Fixstern auf die Strahlung eines Hintergrundobjektes ausübt, beobachtet werden. So hat man eine Reihe von MACHOs nachgewiesen, weil ein Einzelstern das Licht eines dahinterliegenden, wesentlich schwächeren Objektes gebündelt und so (kurzzeitig) verstärkt hat. Auch extrasolare Planeten konnten mit diesem Effekt nachgewiesen werden.

Der Brennpunkt des Linseneffektes der Sonne liegt in einer Entfernung von etwa 82,5 Milliarden Kilometern bzw. rund 550 Astronomischen Einheiten und würde eine Vergrößerung um einen Faktor von ungefähr 100 Millionen erbringen.

[Bearbeiten] Kosmologische Anwendung

Wenn eine Gravitationslinse (aus der Sicht des irdischen Beobachters) das Licht des Hintergrundobjektes bündelt, können Objekte untersucht werden, die ansonsten wegen ihrer Entfernung nicht registriert werden würden. Damit ist es möglich, Strahlung zu analysieren, die aus sehr frühen Epochen der Entwicklung des Kosmos stammt.

Verschiedene Einstein-Ringe (aufgenommen vom Hubble Space Telescope)

Außerdem liefert die Verteilung der Strahlung in der Bildebene die Möglichkeit, Eigenschaften (Masse und Massenverteilung) der Gravitationslinse selbst zu untersuchen. Dabei erhält man die Gesamtmasse direkt, ohne auf Unterstellungen hinsichtlich des Anteils der Dunklen Materie zurückgreifen zu müssen.

Statistische Auswertungen von Gravitationslinsenbildern können genutzt werden, Parameter wie etwa die Kosmologische Konstante oder die Materiedichte des gesamten Universums einzugrenzen. Auch die Hubble-Konstante kann unter Umständen mittels Gravitationslinsen näher bestimmt werden. Forscher der Universität Zürich und der USA haben damit das Alter des Universums mit großer Genauigkeit auf nunmehr 13,5 Milliarden Jahre bestimmt.