Das Grinsen der Schwerkraft

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Bildcredit: Röntgen – NASA / CXC / J. Irwin et al.; Optisch – NASA/STScI

Beschreibung: Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die vor 100 Jahren veröffentlicht wurde, sagte das Phänomen des Gravitationslinseneffektes voraus. Dieser Effekt verleiht diesen fernen Galaxien eine so launige Erscheinung, wenn man sie im Spiegel von Röntgen- und optischen Bilddaten der Weltraumteleskope Chandra und Hubble betrachtet.

Die Galaxiengruppe trägt den Spitznamen Grinsekatze. Ihre beiden elliptischen Galaxien werden von angedeuteten Bögen eingerahmt. Diese Bögen sind optische Bilder ferner Hintergrundgalaxien. Sie wurden von der Gesamtverteilung der Gravitationsmasse der Gruppe im Vordergrund gebrochen. Diese Gravitationsmasse besteht vorwiegend aus Dunkler Materie.

Die beiden großen elliptischen „Augen“-Galaxien sind die hellsten Mitglieder ihrer Galaxiengruppe, sie sind dabei zu verschmelzen. Ihre relative Kollisionsgeschwindigkeit von fast 1350 Kilometern pro Sekunde erhitzt Gas auf Millionen Grad. Dabei entsteht das Leuchten im Röntgenspektralbereich, das in violetten Farbtönen abgebildet ist.

Sind Sie neugierig auf die Verschmelzung von Galaxiengruppen? Die Grinsekatzengruppe lächelt etwa 4,6 Milliarden Lichtjahre entfernt im Sternbild Großer Bär (Ursa Major).

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Simulation: Zwei Schwarze Löcher verschmelzen


Simulationscredit: Simulating eXtreme Spacetimes Project

Beschreibung: Lehnen Sie sich zurück und beobachten Sie, wie zwei Schwarze Löcher verschmelzen. Dieses Simulationsvideo entstand nach der ersten direkten Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2015. Es läuft in Zeitlupe und würde in Echtzeit ungefähr eine Drittelsekunde dauern.

Die Schwarzen Löcher posieren auf einer kosmischen Bühne vor Sternen, Gas und Staub. Ihre extreme Gravitation bricht das Licht von dahinter zu Einsteinringen, während sie sich einander auf spiralförmigen Bahnen nähern und schließlich verschmelzen. Durch die an sich unsichtbaren Gravitationswellen, die beim blitzartigen Verschmelzen der massereichen Objekte entstehen, plätschert und schwappt das sichtbare Bild innerhalb und außerhalb der Einsteinringe, sogar noch nachdem die Schwarzen Löcher verschmolzen sind.

Die von LIGO entdeckten Gravitationswellen werden als GW150914 bezeichnet, sie entsprechen der Verschmelzung Schwarzer Löcher mit 36 und 31 Sonnenmassen in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren. Das finale einzelne Schwarze Loch besitzt 63 Sonnenmassen, wobei die übrigen 3 Sonnenmassen in Energie umgewandelt wurden, und zwar in Form von Gravitationswellen. Seit damals meldeten die LIGO– und VIRGO-Gravitationswellen-Observatorien mehrere weitere Entdeckungen verschmelzender massereicher Systeme, und letzte Woche das zeigte das Event Horizon Telescope das erste horizontgroße Bild eines Schwarzen Loches.

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Abell 370: Galaxienhaufen-Gravitationslinse

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Bildcredit: NASA, ESA, Hubble; Bearbeitung und Bildrechte: Rogelio Bernal Andreo (DeepSkyColors.com)

Beschreibung: Was sind diese seltsamen Bögen? Beim Abbilden des Galaxienhaufens Abell 370 entdeckten Astronomen einen ungewöhnlichen Bogen. Die Natur des Bogens wurde nicht sofort erkannt, sondern erst, als bessere Bilder zeigten, dass der Bogen eine noch nie zuvor beobachtete Art astrophysikalisch verzerrter Abbildungen in Gravitationslinsen war, bei denen das Zentrum eines ganzen Galaxienhaufens die Linse ist.

Heute wissen wir, dass dieser Bogen – der hellste Bogen im Haufen – eigentlich aus zwei verzerrten Bildern einer ziemlich normalen Galaxie besteht, die zufällig weit entfernt dahinter liegt. Durch die Gravitation von Abell 370 wurde das Licht der Hintergrundgalaxien – und anderer Galaxien – verteilt, sodass es auf mehrfachen Lichtlaufwegen zum Beobachter gelangte – ähnlich wie wenn ein fernes Licht durch den Stiel eines Weinglases leuchtet.

Fast alle hier abgebildeten gelblichen Strukturen sind Galaxien im Haufen Abell 370. Ein scharfes Auge erkennt jedoch viele seltsame Bögen und verzerrte Bogenteile, die eigentlich die Bilder ferner normaler Galaxien sind, welche durch Gravitation gebrochen wurden. Untersuchungen von Abell 370 und seiner Bilder bieten Astronomen einen einzigartigen Blick auf die Verteilung normaler und Dunkler Materie in Galaxienhaufen und im Universum.

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Auswärtige Galaxien

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Bildcredit und Bildrechte: DatenHubble Legacy Archive, BearbeitungDomingo Pestana

Beschreibung: Diese atemberaubende Galaxiengruppe ist weit, weit weg – sie ist etwa 450 Millionen Lichtjahre vom Planeten Erde entfernt und als Galaxienhaufen Abell S0740 katalogisiert. Diese neu bearbeitete Ansicht des Weltraumteleskops Hubble zeigt eine beachtliche Auswahl an Galaxiengrößen und -formen mit nur wenigen gezackten Vordergrundsternen, die über das Feld verteilt sind.

Die große zentrale elliptische Galaxie (ESO 325-G004) tritt markant hervor. Die riesige elliptische Galaxie (rechts neben der Mitte) umfasst mehr als 100.000 Lichtjahre und enthält ungefähr 100 Milliarden Sterne, sie ist mit unserer Milchstraßenspiralgalaxie vergleichbar. Die Hubbledaten zeigen sogar bei diesen fernen Galaxien einen Reichtum an Details, einschließlich der Arme und Staubbahnen, Sternhaufen, Ringstrukturen und Gravitationslinsenbögen.

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Zufallsblitz – ein Kandidat für den bisher fernsten Stern

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Bildcredit: NASA, ESA und P. Kelly (U. Minnesota) et al.

Beschreibung: Stammt dieser Blitz vom fernsten Stern, den wir je gesehen haben? Ein unerwarteter Lichtblitz, der zufällig auf Bildern des Weltraumteleskops Hubble entdeckt wurde, ist vielleicht nicht nur ein ungewöhnliches Gravitationslinsenereignis, sondern auch das Bild eines normalen Sterns, der 100 Mal weiter entfernt ist als jeder bisher einzeln abgebildete Stern.

Dieses Bild zeigt links den Galaxienhaufen mit vielen gelblichen Galaxien. Rechts befindet sich ein ausgedehntes Quadrat, wo 2016 eine Quelle erschien, die 2011 nicht erkennbar war. Das Spektrum und die Veränderlichkeit dieser Quelle ähneln seltsamerweise nicht einer Supernova, sondern passen eher zu einem normalen blauen Überriesenstern, der durch eine Ansammlung ausgerichteter Gravitationslinsen etwa um den Faktor 2000 vergrößert wurde. Diese Quelle wird als Icarus bezeichnet, sie befindet in einer Galaxie weit hinter dem Galaxienhaufen im fernen Universum – bei Rotverschiebung 1,5.

Wenn die Interpretation der Linse korrekt und Icarus kein explodierender Stern ist, könnten weitere Beobachtungen dieses und anderer ähnlich vergrößerter Sterne Information über den Gehalt an stellarer und Dunkler Materie in diesem Galaxienhaufen und im Universum liefern.

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Die Einsteinkreuz-Gravitationslinse

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Bildcredit und Bildrechte: J. Rhoads (Arizona State U.) et al., WIYN, AURA, NOAO, NSF

Beschreibung: Die meisten Galaxien haben einen einzigen Kern – hat diese Galaxie vier? Astronomen kommen zu dem seltsamen Schluss, dass der Kern der umgebenden Galaxie auf diesem Bild nicht einmal sichtbar ist, sondern dass das Kleeblatt in der Mitte vielmehr aus Licht besteht, das von einem Quasar im Hintergrund abgestrahlt wird.

Das Gravitationsfeld der im Vordergrund sichtbaren Galaxie bricht das Licht dieses fernen Quasars in vier Einzelbilder. Für eine Illusion wie diese muss der Quasar exakt hinter dem Zentrum einer massereichen Galaxie liegen. Der Effekt ist als Gravitationslinseneffekt bekannt, dieser spezielle Fall ist als Einsteinkreuz. Noch seltsamer ist, dass die relative Helligkeit der Bilder des Einsteinkreuzes variiert, weil sie gelegentlich durch zusätzliche Mikrolinseneffekte einzelner Sterne in der Vordergrundgalaxie verstärkt wird.

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Vier Quasarbilder umgeben eine Galaxienlinse

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Bildcredit: ESA/Hubble, NASA, Sherry Suyu et al.

Beschreibung: Das Seltsame an dieser Gruppe aus Lichtern in der Mitte ist, dass vier davon derselbe ferne Quasar sind, weil die Galaxie im Vordergrund – in der Mitte der Quasarbilder und hier vorgestellt – als unruhige Gravitationslinse wirkt. Vielleicht noch seltsamer ist, dass man durch Beobachtung des Flackerns dieses Quasars im Hintergrund die Expansionsgeschwindigkeit des Universums schätzen kann, weil die Flackerabläufe zunehmen, wenn die Expansionsgeschwindigkeit steigt. Manche Astronomen sehen das Verrückteste darin, dass diese mehrfach abgebildeten Quasare ein Hinweis auf ein Universum sind, das etwas schneller expandiert als mithilfe verschiedener Methoden, die für das frühe Universum gelten, geschätzt wurde. Das ist so, weil … nun ja, niemand weiß, warum. Zu den Gründen könnte eine unerwartete Verteilung Dunkler Materie, ein unerwarteter Gravitationseffekt oder etwas ganz Anderes zählen. Vielleicht beseitigen künftige Beobachtungen und Analysen dieses und ähnlich gebrochener Quasarbilder diese Unklarheiten.

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Blick durch Abell 68

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Credit: NASA,ESA, Hubble Heritage/ESA-Hubble CollaborationDanksagung: Nick Rose

Beschreibung: Möchten Sie einen Galaxienhaufen als Teleskop benützen? Es ist einfacher, als Sie vielleicht denken, da sich ferne Galaxienhaufen wie natürliche starke Gravitationslinsen verhalten. In Übereinstimmung mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie wird durch die Gravitationsmasse des Haufens, in der Dunkle Materie überwiegt, Licht gekrümmt. Dabei werden vergrößerte, verzerrte Bilder von noch ferneren Hintergrundgalaxien erzeugt.

Dieses scharfe Hubble-Infrarotbild veranschaulicht die Funktion des Galaxienhaufens Abell 68 als Gravitationsteleskop und wurde vom Amateurastronomen Nick Rose im Rahmen des Bildbearbeitungswettbewerbs „ESA-Hubble Hidden Treasures“ untersucht. Wenn Sie den Mauspfeil über das Bild schieben, werden im Bild Markierungen sichtbar.

Die Markierungen 1 und 2 zeigen zwei Linsenbilder der gleichen Hintergrundgalaxie. Das verzerrte Galaxienbild mit der Markierung 2 ähnelt einem klassischen Space Invader! Markierung 3 zeigt eine unverzerrte Haufengalaxie, deren Gas abgestreift wird, während sie durch das dichtere intergalaktische Medium pflügt. Markierung 4 enthält viele Hintergrundgalaxien, die als längliche Streifen und Bögen abgebildet sind.

Abell 68 ist etwa 2,1 Milliarden Lichtjahre entfernt im Sternbild Füchslein (Vulpecula) zu finden. Die Zentralregion des Haufens bedeckt auf der Hubble-Ansicht mehr als 1,2 Millionen Lichtjahre.

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Schwache Gravitationslinsen verzerren das Universum

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Credit: S. Colombi (IAP), CFHT Team

Beschreibung: Ist das weit entfernte Universum tatsächlich so, wie es uns erscheint? Astronomen hoffen das. Dazwischenliegende Dunkle Materie, die normalerweise unsichtbar ist, könnte ihr Vorhandensein zeigen, indem sie Bilder verzerrt, die aus dem weit entfernten Universum stammen, ähnlich wie ein altes Fenster Bilder von der anderen Seite verzerrt. Wenn man herausfindet, wieweit Hintergrundgalaxien ungewöhnlich flach und ungewöhnlich ähnlich ihren Nachbargalaxien erscheinen, kann die Verteilung der Dunklen Materie, die diese schwache Gravitationslinsenverzerrung verursacht, abgeschätzt werden. Die Analyse der Formen von 200.000 weit entfernten Galaxienbildern, abgebildet mit dem Canada-France-Hawaii-Teleskop (CFHT) lässt auf das Vorhandensein eines massereichen Netzwerkes von verteilter Dunkler Materie schließen. Zukünftige Ergebnisse könnten sogar Details dieser Verteilung erkennen lassen. Das obige computergenerierte Simulationsbild zeigt, wie Dunkle Materie (rot) den Lichtweg und die scheinbare Form von weit entfernten Galaxien verzerrt – blau dargestellt.

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