GRAVITATIONSLINSEN
Bild einer fernen Galaxie rekonstruiert
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
astronews.com
20. Oktober 2008

Astronomen ist ein einmaliger Blick auf die Entwicklung von Galaxien im jungen Universum gelungen: Die Wissenschaftler rekonstruierten aus dem von einer Gravitationslinse verstärkten und verzerrten Bild einer entfernten Galaxie das wirkliche Aussehen des fernen Systems. Dieses besteht offenbar aus zwei Galaxien, die gerade miteinander verschmelzen.

Oben der Einsteinring, wie er am Himmel erscheint, unten das aus einer Computeranalyse rekonstruierte wahre Aussehen der Hintergrundgalaxie. Die drei Farben Orange, Grün und Blau kennzeichnen (im Bezugssystem der hinteren Galaxie) die Radialgeschwindigkeit des Gases von uns weg, ruhend und auf uns zu. Die langgezogenen Schweife sind die Arme der beiden miteinander kollidierenden, durch Gezeitenkräfte deformierten Galaxien, wie man sie in ähnlicher Form auch in unserer kosmischen Nachbarschaft beobachtet. Bild: Max-Planck-Institut für Astronomie

Eine internationale Forschergruppe unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg hat durch die geschickte Analyse einer sogenannten "Gravitationslinse" erstmals einen direkten Einblick in den gewaltsamen Wachstumsprozess junger Galaxien im frühen Universum erhalten. Die neuartigen Ergebnisse zeigen die Verschmelzung einer Galaxie mit einer zweiten. Dabei stürzen Unmengen an Materie auf das zentrale Schwarze Loch, dessen Umgebung als Quasar aufleuchtet, während weiter außen explosionsartig die Entstehung zahlloser neuer Sterne aus dem molekularen interstellaren Gas ausgelöst wird.

Die Astronomen kartierten mit dem Very Large Array (VLA), einem Radiointerferometer in Socorro (New Mexico) eine mehr als zwölf Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie in dem Zustand, als ihr Alter nur zwei Milliarden Jahre (das sind 15 Prozent des heutigen Weltalters von 13.7 Milliarden Jahren) betrug. Genau auf dem Sehstrahl, der von dieser Galaxie aus zur Erde führt, befindet sich eine zweite Galaxie, die als "Gravitationslinse" wirkt: Ihre Gravitation lenkt das Licht und die Radiostrahlung der weiter entfernten Quelle in der Weise ab, dass dem Beobachter ein kreisförmiges, als »Einsteinring« bezeichnetes Bild erscheint.

Diese Gravitationslinse lässt nun von der ferneren, jungen Galaxie Details erkennen, die auf andere Weise überhaupt nicht zu beobachten wären. "Die Natur stellt uns hier ein Vergrößerungsglas zur Verfügung, mit dem wir in die Abläufe der Galaxienbildung im jungen Universum hineinsehen können", erklärt Dominik Riechers, der Heidelberger Leiter des Projekts, zur Zeit "Hubble Fellow" am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena.

Das neue Bild der fernen Galaxie (ihr Name ist PSS J2322+1944) zeigt eine 16.000 Lichtjahre große massereiche Struktur aus molekularem Gas: Während ein supermassereiches Schwarzes Loch Materie in riesigen Mengen verschlingt, entstehen aus diesem Material neue Sterne nahezu instantan (700 Sonnenmassen pro Jahr, verglichen mit nur drei bis vier Sonnenmassen pro Jahr in unserer Milchstraße). Das Schwarze Loch scheint eher am Rande der Verteilung des molekularen Gases zu liegen – das passt zur Vorstellung, dass die Galaxie erst kürzlich mit einer anderen Galaxie verschmolzen ist.

Das jetzt mit Hilfe des Gravitationslinsen-Effektes untersuchte System zeigt den von den Astronomen vermuteten Entwicklungsweg von Galaxien in einem zuvor noch nicht erreichten Detail: Bereits im jungen Universum wachsen große Galaxien mit ihren supermassereichen zentralen Schwarzen Löchern durch wiederholter Verschmelzungen kleinerer Galaxien.

Der Einsteinring um PSS J2322+1944 wurde 2003 mit Hilfe von Radiobeobachtungen der Linienemission des Kohlenmonoxids (CO) entdeckt (astronews.com berichtete). Dieses Molekül ist ein Indikator für viel größere Mengen molekularen Wasserstoffs, des primären Baustoffes, aus dem neue Sterne entstehen. In der jetzt vorgestellten Arbeit des Teams wurde mit großem Aufwand ein physikalisches Modell der als Gravitationslinse wirkenden Galaxie im Vordergrund abgeleitet.

Sobald die Masse, Struktur und Orientierung dieser Galaxie bekannt war, ließ sich die Verformung des Bildes der Hintergrundgalaxie durch die Gravitationslinse im sichtbaren Licht und im Radiobereich berechnen. Daraus wiederum konnte ein Bild der Hintergrundgalaxie abgeleitet werden. Die Durchführung dieser Analyse bei verschiedenen Radiowellenlängen ergab schließlich auch den Bewegungszustand des Gases in der fernen Galaxie. Die als Gravitationslinse wirkende Galaxie war sozusagen ein Teil des verwendeten Teleskops. Aus der Rückrechnung des Lichtweges über die Gravitationslinse hinaus ließen sich Struktur und Dynamik der Hintergrundgalaxie rekonstruieren.

Der Gravitationslinseneffekt wurde bereits 1919 auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie vorhegesagt. Einstein selbst erkannte 1936, dass bei perfekt hintereinander angeordneten Galaxien der Einsteinring entsteht, hielt aber die erforderliche, sehr genaue Aufreihung der Vorder- und Hintergrundgalaxie für derart unwahrscheinlich, dass er nicht an die Beobachtbarkeit von Einsteinringen glaubte. Die erste Gravitationslinse wurde 1979 entdeckt, der erste Einsteinring wurde 1987 mit dem Very Large Array gefunden.