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Präzise Vermessung einer entfernten Galaxie
von Stefan Deiters
astronews.com
20. Oktober 2014
Astronomen ist nun mithilfe des Weltraumteleskops Hubble
die - nach ihrer Aussage - präziseste Entfernungsmessung für eine Galaxie
gelungen, die schon im jungen Universum existierte. Gleichzeitig handelt es sich
bei dem System um eine der kleinsten, lichtschwächsten und entferntesten
Galaxien, die man bislang beobachtet hat.
Der Galaxienhaufen Abell 2744 und die drei
Bilder der entfernten Galaxie. Bild: NASA, ESA
/ A. Zitrin (California Institute of Technology,
USA) [Großansicht] |
Um Galaxien zu beobachten, die schon in einer Zeit existierten, als das
Universum nur einen Bruchteil seines heutigen Alters hatte, reicht in der Regel
auch die Leistungsfähigkeit des Weltraumteleskops Hubble nicht mehr.
Diese Systeme sind nämlich so klein und liegen so weit von der Erde entfernt,
dass sie einfach zu lichtschwach sind.
Astronomen machen sich daher die Hilfe der Natur zunutze und setzen auf einen
Effekt, den Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt
hatte: den sogenannten Gravitationslinseneffekt. Massereiche Objekte, wie
beispielsweise gewaltige Galaxienhaufen, können durch ihre Masse das Licht von
hinter ihnen liegenden Objekten so ablenken, dass diese - wie bei einer Lupe -
heller und vergrößert erscheinen. Oft sorgt das Phänomen auch für die Entstehung
gleich mehrerer Bilder der entfernten Galaxie.
Allerdings ist es relativ schwierig, präzise Entfernungen für die so
entdeckten Systeme zu bestimmen - insbesondere, wenn diese sich im sehr jungen
Universum befinden und damit besonders weit von uns entfernt sind. Einem
Astronomenteam ist nun durch die Rekonstruktion der Gravitationslinse, also der
für die Vergrößerung der entfernten Galaxie verantwortlichen "Lupe", eine sehr
viel genauere Entfernungsbestimmung gelungen.
Die Astronomen untersuchten eine entfernte Galaxie, deren Helligkeit durch
den massereichen Galaxienhaufen Abell 2744 um einen Faktor 10 vergrößert
erscheint. Nur dadurch war es überhaupt möglich, das entfernte System
aufzuspüren. Abell 2744 sorgt auch dafür, dass gleich drei vergrößerte Bilder
der entfernten Galaxie in dem Galaxienhaufen zu sehen sind.
"Wir konnten die durch den Gravitationslinseneffekt erzeugten Mehrfachbilder
auf Hubble-Aufnahmen im nahen Infrarot und im Optischen erkennen", so
Adi Zitrin vom California Institute of Technology. "Aber zunächst
hatten wir keine Ahnung, wie weit die Galaxie von der Erde entfernt war."
Einen ersten Hinweis lieferte die Analyse des Lichts des entfernten Systems:
Durch die Ausdehnung des Universums wird nämlich auch dessen Wellenlänge in
Richtung des rötlichen Teils des Spektrums verschoben. Aus dieser
Rotverschiebung lässt sich die Entfernung abschätzen. Für das entfernte System
ergab sich eine Rotverschiebung von 10, was bedeutet, dass das Licht der Galaxie
mehr als 13 Milliarden Jahre benötigt hat, um uns zu erreichen.
Allerdings können für lichtschwache und sehr entfernte Objekte solche
Abschätzungen auch einmal sehr unpräzise oder sogar komplett falsch sein. Die
Astronomen suchten daher nach einem Weg, ihre Entfernungsbestimmung zu
verifizieren. Sie ermittelten dazu den Abstand der drei vergrößerten Bilder der
entfernten Galaxie in Abell 2744.
Durch vorherige Untersuchungen kannten die Forscher den Galaxienhaufen und
seine Linsenwirkung relativ genau. Sie schauten sich nun die Bilder anderer, uns
näher gelegener Galaxien an, deren Licht auch durch Abell 2744 abgelenkt worden
ist und von denen dadurch auch mehrere Bilder entstanden sind. Sie verglichen
den Abstand dieser Bilder mit dem Abstand der Bilder der weit entfernten Galaxie
und konnten so ermitteln, wie weit diese - aufgrund der Geometrie der
Gravitationslinse - hinter dem Galaxienhaufen liegen muss.
"Das ist eine Demonstration für die Leistungsfähigkeit von relativistischer
Optik", freut sich Teammitglied Tom Broadhurst von der Universität des
Baskenlandes und der baskischen Wissenschaftsförderungsgesellschaft
Ikerbasque. "Wir verstehen diese Linsen nun so gut, dass wir sie zur
Messung von Entfernungen einsetzen können." Wenn man ein Objekt mit seinem
Fotoapparat scharf stellt und dann am Objektiv die Entfernung abliest, sei das
in etwa vergleichbar mit dem neuen Verfahren.
Durch die Methode konnte die Astronomen ihre Entfernungsbestimmung für das
entfernte System bestätigen. "Wir sind zu 95 Prozent sicher, dass das Objekt
eine Rotverschiebung von 10 hat", so Zitrin. "Durch die Gravitationslinse wissen
wir, dass es sich nicht um ein rötliches nahegelegenes Objekt handeln kann, das
sich nur als entferntes Objekt ausgibt."
Das System erlaubt den Astronomen einen Blick in die Frühphase des
Universums, in der das All gerade einmal rund 500 Millionen Jahre alt war. Es
ist offenbar deutlich lichtschwächer und kleiner als andere Objekte, die man
bislang in dieser Entfernung gefunden hat. Es hat einen Durchmesser von nur rund
850 Lichtjahren und eine Masse, die etwa der 40-Millionen-fachen Masse unserer
Sonne entspricht.
Über ihre Untersuchungen berichteten die Astronomen in einem Fachartikel, der
in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters
erschienen ist.
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