Erforschung des Universums mit Gravitationslinsen

Lichtstrahlen laufen geradeaus. So lehrt es die alltägliche Erfahrung und so wird Licht auf der Erde auch bei technischen Anwendungen eingesetzt. Trotzdem: Wer glaubt, dass diese Annahme immer und ohne Einschränkung gültig ist, der hat seine Rechnung ohne Albert Einstein gemacht.

Gravitationslinsensystem: Ein Galaxienhaufen wirkt als Gravitationslinie auf eine Hintergrundgalaxie, die hier fünffach abgebildet ist. Foto: NASA. Hubble Space Telescope

Schon 1915 sagte Einstein in der allgemeinen Relativitätstheorie vorher, dass Lichtstrahlen durch die Schwerkraft kosmischer Objekte abgelenkt und gebündelt werden, sie also auch krumme Wege gehen können. Heute nutzt man diesen Effekt in der Astronomie. Joachim Wambsganß berichtete in seiner Antrittsvorlesung darüber, welche Auswirkungen das "Licht auf krummen Wegen" bei der Himmelsbeobachtung hat, und wie Astronomen diesen Effekt für ihre Forschungsarbeiten nutzen können. Was geschieht, wenn das Licht auf seinem Weg von einem Stern zum Beobachter auf der Erde ein weiteres kosmisches Objekt passiert, zum Beispiel ein schwarzes Loch oder eine Galaxie? Aufgrund der Schwerkraft dieser Objekte wird das Licht abgelenkt und beschreibt eine gekrümmte Bahn. Der Beobachter jedoch rechnet mit einem geradlinigen Lichtstrahl. Er sieht den Stern deshalb an einer Position, die nicht der tatsächlichen entspricht.

Dieser so genannte Gravitationslinseneffekt kann sich auch auf andere Weise auswirken. Je nach Größe, Form und Position der "Linse" werden weit entfernte Sterne oder Galaxien verstärkt oder verzerrt gesehen. Es besteht sogar die Möglichkeit, dass man gleichzeitig zwei, drei oder mehr Bilder von ihnen sieht.

Die Veränderung einer Sternposition wurde bereits 1919 – vier Jahre nach Einsteins Theorie – bei einer Sonnenfinsternis nachgewiesen. Die New York Times sprach damals von einer "Epoche machenden Entdeckung" von Sir Arthur Eddington. Es sollte allerdings noch 60 Jahre dauern, bis Dennis Walsh 1979 den ersten Doppelquasar fand. Der Quasar – ein hell leuchtendes Objekt am Rande des Weltalls - war aufgrund einer Gravitationslinse nicht nur doppelt, sondern auch verstärkt zu sehen.

Inzwischen nutzt die Astrophysik die verschiedenen Erscheinungsformen des Phänomens der Lichtablenkung (wie "leuchtende Bögen", "Einsteinringe" oder "Microlensing") in vielfältiger Weise aus. Man gewinnt dadurch neue Erkenntnisse sowohl über die verstärkten Hintergrundobjekte als auch über die als "Linsen" wirkenden Materieansammlungen, deren Größe, Masse und Struktur bestimmt werden kann. Sogar über den Kosmos als Ganzes lässt sich einiges lernen. Das Alter des Universums haben Wissenschaftler aus Arbeiten mit Gravitationslinsen heute auf etwa 15 Milliarden Jahre bestimmt. Der Gravitationslinseneffekt soll auch bei der Suche nach Dunkler Materie helfen und dabei, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems aufzuspüren. Dabei ist er den anderen zurzeit verwendeten Methoden in einem Aspekt überlegen. Er könnte, anders als diese, auch Planeten von der Größe unserer Erde nachweisen. "Bis jetzt haben wir mit dieser Methode noch keine extraterrestrischen Planeten gefunden, aber ich bin sicher, dass dies in den nächsten Jahren geschehen wird", sagt Joachim Wambsganß.

urs

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