Gravitationslinsen

Wie Masse Licht zu Ringen, Kreuzen und Bögen biegt und uns wiegen lässt, was wir nicht sehen können

Schritt für Schritt

Masse biegt Licht

Bei der Sonne ist die Ablenkung winzig. Bei einer ganzen Galaxie oder einem Galaxienhaufen ist sie groß genug, um sichtbar zu sein: Eine Masse wirkt wie eine ungleichmäßige Linse, und Licht von etwas weit dahinter kann uns aus mehr als einer Richtung erreichen. Hier ist der dunkle Punkt die Linse (gezeichnet), und die Galaxie dahinter ist doppelt zu sehen.

Ausrichten

Wenn die Galaxie dahinter in eine Linie mit der Linse rückt, schwenken ihre zwei Bilder um die Linse, werden länger und heller und verschmelzen zu einem Ring.

Die Linsengleichung sagt, woher das Licht zu kommen scheint. Liegt die Quelle ein wenig neben der Achse, gibt es zwei Bilder, eins auf jeder Seite der Linse, einen langen Bogen auf der fernen Seite und einen kurzen nahe am Zentrum. Je genauer die Ausrichtung, desto mehr dehnen sich die Bilder, und desto heller werden sie.

Bei genauer Ausrichtung werden die zwei Bilder zu einem Vollkreis, dem Einsteinring. Sein Radius, der Einsteinradius, wächst mit der Wurzel aus der Masse der Linse. Du kannst es ausprobieren: Wenn du das Bild ziehst, schiebst du die Galaxie dahinter über die Linse, und die Bilder folgen.

Das Einsteinkreuz

Jedes Bild wird auf eigene Weise heller und schwächer, weil einzelne Sterne in der Linsengalaxie davor vorbeiziehen und es erneut ablenken. Astronomen nutzen dieses Flackern, um die Scheibe des Quasars zu untersuchen, eine nur Lichttage große Region, die kein Teleskop direkt sehen könnte.

Dunkle Materie wiegen

Clowes Team untersuchte ihn 2006. Das rosa Leuchten ist das heiße Gas, im Röntgenlicht gesehen, das den größten Teil der gewöhnlichen Materie enthält; das Blau ist die Masse, die der Linseneffekt findet. Beides ist hier dort gezeichnet, wo es gemessen wurde: Die Masse ist nicht dort, wo das Gas ist.

Gas wird durch die Kollision gebremst, wie zwei Rauchwolken. Die Masse bewegte sich mit den Galaxien weiter, als wäre sie etwas, das durch sich selbst hindurchgeht. Das gehört zu den besten Belegen dafür, dass die meiste Materie dunkel ist und kaum wechselwirkt, und es ist schwer zu erklären, wenn man nur die Gravitation ändert.

Ein Stern aus ferner Zeit

2022 fand Welchs Team Earendel in einem Bogen, dem Sunrise Arc, den ein Haufen aus einer Galaxie bei Rotverschiebung 6,2 dehnt. Genau auf einer Linie, wo die Linse am stärksten ist, erreicht die Vergrößerung Hunderte oder Tausende, genug, um einen einzelnen Stern in einer Entfernung zu zeigen, in der sonst keiner zu sehen wäre.

Der Linseneffekt ist das eigene Teleskop der Natur, und das James-Webb-Weltraumteleskop nutzt Haufen so für seine tiefsten Bilder. Ob Earendel ein Stern oder einige ist, wird noch untersucht. Das Bild zeigt einen Lichtpunkt, auf den Bogen gezeichnet, wo er gefunden wurde.