Gravitationslinsen

Ein Quasar ("Quasi-stellares Objekt") ist eine sternähnlich aussehendes Objekt. Es handelt sich dabei um die hellen Kerne aktiver Galaxien, die so weit entfernt sind, dass sie dem Beobachter punktförmig erscheinen. Quasare gehören zu den am weitesten entfernten Objekten im Universum, die noch beobachtet werden können. Nur ihre immense Leuchtkraft macht sie sichtbar.

Auch einzelne Galaxien können im kleineren Maßstab als Gravitationslinsen auf weiter entfernte Objekte wirken, wie etwa die hellen Quasare. Dabei können Mehrfachbilder eines einzigen Quasars entstehen. Vier Bilder des Quasars QSO 2237 umgeben in Kreuzform das Zentrum einer Spiralgalaxie, deren Spiralarme angedeutet zu erkennen sind. Derartige Bilder erlauben die genauesten Massenbestimmungen einzelner Galaxien und bieten darüber hinaus eine Fülle von Informationen über Gravitationslinse und Quelle.

Galaxien sind nicht zufällig am Himmel verteilt. Es gibt Verdichtungen und Leerräume. Das Bild zeigt farbcodiert die Anzahldichte der Galaxien am Himmel in einer Kappe von 50 Grad Radius um den Nordpol der Milchstraße. Je heller die Farbe ist, umso dichter stehen die Galaxien an dieser Stelle. Besonders markant sind die Galaxienhaufen, in denen sich einige hundert bis etwa tausend Galaxien versammeln.

In manchen Galaxienhaufen, wie z.B. in Cl 2244-02, tauchen ausgedehnte, bogenförmige Gebilde auf, die sogenannten Arcs (Bögen). Sie kommen dadurch zustande, dass die Masse in Galaxienhaufen Licht ablenkt (ähnlich wie eine Glaslinse) und dabei Bilder weiter entfernter Objekte verzerrt. Die Arcs sind also stark verzerrte Bilder von Galaxien, die von uns aus gesehen weit hinter den Galaxienhaufen stehen.

Manche Arcs zeigen eine erstaunlich reiche Struktur, so z.B. der Bogen in Abell 370 (links). Daraus läßt sich rekonstruieren, wie die Quelle vor der Verzerrung ausgesehen hat. Weiter lassen sich winzige Strukturen beobachten, die erst durch die vergrößernde Wirkung der Gravitationslinse erkennbar werden. Gravitationslinsen wirken also wie Teleskope im kosmischen Maßstab, deren abbildende Systeme nicht Linsen oder Spiegel, sondern gewaltige Massenverteilungen sind.

Wenn Galaxienhaufen sehr genau beobachtet werden, läßt sich aus den vielen zum Teil nur schwach verstärkten Bildern in ihrer Umgebung ableiten, wie ihre Massenverteilung aussieht. Dabei kann die Gestalt der Linse mit großer Genauigkeit aus den Bildern rekonstruiert werden. Damit lassen sich Massenkarten der Galaxienhaufen errechnen. Links sind die Konturen der Massenverteilung in der Umgebung des Haufens Cl 0024+16 eingetragen, die aus den Verzerrungen errechnet wurde.

Arcs in Galaxienhaufen lassen sich in Simulationsrechnungen nachbilden, wie z.B. im Bild links. Anhand solcher Rechnungen konnten im Vergleich mit beobachteten Bögen wichtige Eigenschaften des Universums abgeleitet werden. So wurde z.B. festgestellt, dass die Materiedichte im Universum zu klein ist, als dass die Ausdehnung des Universums jemals wieder zum Stillstand oder gar zur Umkehr gebracht werden könnte.

Im leeren Raum breitet sich Licht geradlinig aus. Der Beobachter sieht das Bild einer Quelle in der Richtung, aus der das Licht bei ihm ankommt. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie lenken Massen das Licht ab, ähnlich wie normale Glaslinsen. Man spricht deswegen von Gravitationslinsen. Linsen wie hier die Sonne biegen die Lichtstrahlen umso stärker, je näher sie dem Lichtweg kommen. Deswegen erscheint das Bild von der Linse weggeschoben. Dieser Effekt ist hier übertrieben dargestellt. Galaxien können den Lichtweg sogar so stark biegen, dass es mehrere mögliche Wege für das Licht geben kann. So können mehrere Bilder von einem weit entfernten Quasar zu sehen sein. Solche Mehrfachbilder werden tatsächlich beobachtet. Der Quasar 2237 zum Beispiel erscheint vierfach abgebildet. Wenn die Quelle genau auf der optischen Achse liegt, entsteht ein ringförmiges Bild, ein sogenannter Einsteinring. Auch solche Einsteinringe werden beobachtet; zum Beispiel erscheint der Quasar 1938 als Ring. Auch ganze Galaxienhaufen können als Gravitationslinsen wirken. Sie erzeugen zum Teil stark verzerrte Bilder von weit entfernten Galaxien. Ein Beispiel dafür ist der große Bogen im Galaxienhaufen Cl 2244. Weiter abseits stehende Galaxien werden nur schwach verzerrt, aber sie sind sehr zahlreich. Damit lassen sich Stärke und Ausrichtung der Verzerrung in der Umgebung von Galaxienhaufen regelrecht kartieren. Aus solchen Verzerrungskarten läßt sich zurückrechnen, wie die Masse in den Galaxienhaufen verteilt ist. In einer derartigen Karte entspricht die dargestellte Höhe der Menge der berechneten Materie.