Ein neu entdecktes „Einsteinkreuz“ enthüllt die Existenz eines riesigen Halos aus dunkler Materie

Gemäß Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie wird Licht um Objekte mit großer Masse, wie etwa Galaxien, gebrochen. Dies führt manchmal zu einem Phänomen, das als Gravitationslinseneffekt bekannt ist und das Licht von dahinter liegenden Objekten aufhellt, vergrößert und verzerrt.

In seltenen Fällen kann eine Gravitationslinse das durch sie hindurchtretende Licht sogar aufspalten und mehrfach erscheinen lassen. Ein solches Phänomen wird aufgrund der Form, die diese aufgespaltenen Lichtwiederholungen bilden, als „Einstein-Kreuz“ bezeichnet.

Das Einsteinkreuz G2237+0305, beobachtet im September 1990 vom Hubble-Weltraumteleskop.

FOTO: NASA, ESA UND STSCI

Kürzlich wurde ein neues Einsteinkreuz beobachtet und in einer wissenschaftlichen Arbeit beschrieben. Die Entdeckung wurde von einem Forscherteam des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), einem Weltraumteleskop im Norden Chiles, mithilfe von Beobachtungsdaten von ALMA und anderen Teleskopen gemacht. Das Licht des Kreuzes stammt von HerS-3, einer Galaxie in 11,6 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Der Gravitationslinseneffekt wird von vier Riesengalaxien erzeugt, die sich zwischen HerS-3 und der Erde befinden. Diese Riesengalaxien sind etwa 7,8 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Der Gravitationslinseneffekt spaltet die Lichtquelle nicht nur, sondern vergrößert sie auch, wodurch eine detaillierte Sicht auf die Lichtquelle hinter der Linse möglich wird. Dank dieser Eigenschaft scheint es sich bei HerS-3 laut dem Team um eine helle Starburst-Galaxie zu handeln – eine Galaxie mit explosiver Sternentstehung – und sie entstand zu einer Zeit, als die Sternentstehung im gesamten Universum ihren Höhepunkt erreichte. HerS-3 besitzt außerdem eine geneigte, rotierende Scheibe, aus deren Zentrum Gas mit rasender Geschwindigkeit ausströmt, so das Team.

„Dank dieses natürlichen Teleskops können wir in Regionen hineinzoomen, die zehnmal kleiner sind als die Milchstraße, also fast 12 Milliarden Lichtjahre entfernt, und dabei auf verborgene Materie im sichtbaren Licht schließen“, sagte Hugo Mesias, ein Mitautor des Artikels, in einer Erklärung .

Auf den ersten Blick scheint das Einstein-Kreuz von HerS-3 ausschließlich durch den Gravitationslinseneffekt der vier Riesengalaxien zwischen HerS-3 und der Erde entstanden zu sein. Mithilfe eines präzisen Gravitationslinsenmodells stellte das Team jedoch fest, dass die beobachtbare Masse dieser vier Riesengalaxien nicht ausreicht, um die Anordnung der fünf Bilder des Kreuzes zu erklären: Ihre Masse reicht schlicht nicht aus, um den sichtbaren visuellen Effekt zu erzeugen.

„Die einzige Möglichkeit, die bemerkenswerte Konfiguration, die wir beobachtet haben, zu reproduzieren, bestand darin, eine unsichtbare, massive Komponente hinzuzufügen: einen Halo aus dunkler Materie im Zentrum der Galaxiengruppe“, sagte der Hauptautor Pierre Cox vom Institut d'Astrophysique de Paris.

Das rötliche Licht im quadratischen Bild rechts ist eine vergrößerte Version des Einsteinschen Kreuzes von HerS-3. Die hellen Objekte (G1-G4) im linken Bild sind die vier Riesengalaxien, die den Gravitationslinseneffekt erzeugen. Die gelbe Sternmarkierung (DM) zeigt die Position eines massereichen Dunkle-Materie-Halos in der Galaxienpopulation an, zu der auch die vier Riesengalaxien gehören.

FOTO: P. COX ET AL / ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / NOEMA

Ein Dunkle-Materie-Halo ist eine Masse dunkler Materie, die sich durch Gravitation von selbst gebildet hat. Die Masse dieses Halos, die das Licht von HerS-3 beeinflusst, ist vermutlich mehrere Billionen Mal so groß wie die der Sonne.

Dunkle Materie ist Material, das theoretisch im Weltraum existiert, aber mit sichtbarem Licht nicht sichtbar ist. Man geht davon aus, dass sie etwa 85 Prozent der Gesamtmasse des Universums ausmacht. Das von HerS-3 gebildete Einsteinkreuz könnte, so hofft das Forschungsteam, eine einzigartige Möglichkeit bieten, den Einfluss dunkler Materie auf die Entstehung von Galaxien im frühen Universum zu untersuchen.

Diese Geschichte erschien ursprünglich auf WIRED Japan und wurde aus dem Japanischen übersetzt.