Schlagwort: Gravitationslinse

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MAC0647: Webbs Gravitationslinsen im frühen Universum

Webbs neue Ansicht des Objekts MACS0647-JD zeigt bisher unbekannte Details. Beschreibung im Text.

Bildcredit: NASA, ESA, CSA, Dan Coe (STScI), Rebecca Larson (UT), Yu-Yang Hsiao (JHU); Bearbeitung: Alyssa Pagan (STScI); Text: Michael Rutkowski (Minn. St. U. Mankato)

Dieses lebhafte neue Vielfarben-Infrarotbild des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) zeigt die Gravitationslinse des Galaxienhaufens MACS0647. Der massereiche Vordergrundhaufen verzerrt und bricht das Licht der dahinter liegenden fernen Galaxien in derselben Sichtlinie. So wird die Hintergrundquelle MACS0647-JD vom Haufen offenbar dreifach vergrößert.

Als MACS0647-JD erstmals mit dem Weltraumteleskop Hubble beobachtet wurde, sah man sie als amorphen Klecks. Mit Webb entpuppt sich diese einzelne Quelle jedoch als Paar oder kleine Galaxiengruppe. Auch die Farben der MACS0647-JD-Objekte sind unterschiedlich – ein möglicher Hinweis auf Unterschiede im Alter oder im Staubgehalt dieser Galaxien.

Diese neuen Bilder liefern seltene Beispiele an Galaxien aus einer Zeit von wenigen 100 Millionen Jahren nach dem Urknall.

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4000 Exoplaneten

Videocredit: SYSTEM Sounds (M. Russo, A. Santaguida); Daten: NASA-Exoplanetenarchiv

Mehr als 4000 Planeten außerhalb unseres Sonnensystems sind inzwischen bekannt, sie werden als Exoplaneten bezeichnet. Dieser Meilenstein wurde letzte Woche überschritten, wie das Exoplanetenarchiv der NASA berichtete. Das Video zeigt diese Exoplaneten in Licht und Ton, chronologisch beginnend mit der ersten bestätigten Entdeckung 1992 bis ins Jahr 2019.

Anfangs ist der gesamte Nachthimmel komprimiert dargestellt. Das Zentralband unserer Milchstraße bildet ein riesiges U. Exoplaneten, die durch leichtes Schwanken der Farben ihres Zentralsterns (Radialgeschwindigkeit) entdeckt wurden, erscheinen in rosa, während Planeten, die durch eine leichte Absenkung der Helligkeit ihres Zentralsterns (Transit) gefunden wurden, sind violett abgebildet. Weiters wurden direkt abgebildete Exoplaneten orange dargestellt. Exoplaneten, die durch gravitative Vergrößerung (Mikrolinseneffekt) des Lichts eines Hintergrundsterns entdeckt wurden, sind in Grün gezeigt.

Je schneller ein Planet um seinen Herkunftsstern kreist, desto höher wird der begleitende Ton abgespielt. Der ausgediente Satellit Kepler entdeckte etwa die Hälfte der ersten 4000 Exoplaneten in nur einer kleinen Region am Himmel, während die Mission TESS auf bestem Weg ist, noch mehr Exoplaneten zu finden, die um die hellsten, nahe gelegenen Sterne kreisen, und zwar am ganzen Himmel verteilt.

Exoplaneten zu finden hilft der Menschheit nicht nur, das Potenzial für die Häufigkeit von Leben anderswo im Universum besser zu verstehen, sondern auch, wie unsere Erde und das Sonnensystem entstanden sind.

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Webbs erstes Deep Field

Tiefenfeld-Aufnahme des Weltraumteleskops James Webb im südlichen Sternbild Fliegender Fisch

Bildcredit: NASA, ESA, CSA, STScI, NIRCam

Dieses ist das detailreichste, schärfste Infrarotbild des Kosmos, das bisher gemacht wurde. Der Blick auf das frühe Universum im südlichen Sternbild Fliegender Fisch entstand im Laufe von 12,5 Stunden Belichtungszeit mit dem Instrument NIRCam am Weltraumteleskop James Webb.

Die Sterne mit je sechs Zacken liegen weit innerhalb unserer Milchstraße. Diese Beugungsmuster sind charakteristisch für Webbs 18 sechseckige Spiegelsegmente, die zusammen wie ein einziger, 6,5 Meter großer Primärspiegel agieren.

Die Tausenden Galaxien, welche das Sichtfeld füllen, gehören zum etwa 4,6 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxienhaufen SMACS0723-73. Die leuchtenden Bögen, die das detailreiche Bild regelrecht übersäen, sind noch weiter entfernte Galaxien. Ihre Bilder werden durch die Masse des Galaxienhaufens, die von Dunkler Materie bestimmt wird, verzerrt und vergrößert. Dieser Effekt ist als Gravitationslinslinseneffekt bekannt.

Wenn man das Licht der beiden getrennten Bögen unter dem hellen, gezackten Stern mit Webbs Instrument NIRISS untersucht, legt das zur Vermutung nahe, dass beide Bögen Bilder derselben Hintergrundgalaxie sind. Das Licht dieser Galaxie brauchte etwa 9,5 Milliarden Jahre, um das Weltraumteleskop James Webb zu erreichen.

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Einstein-Ring einer geschmolzenen Galaxie

Diese Galaxie ist durch eine Gravitationslinse verzerrt, als wäre sie geschmolzen

Bildcredit: ESA/Hubble und NASA, S. Jha; Bearbeitung: Jonathan Lodge

Es ist schwierig, eine Galaxie hinter einem Galaxienhaufen zu verstecken. Die Gravitation des näheren Galaxienhaufens wirkt wie eine riesige Linse, welche die Bilder der weiter entfernten Galaxie an den Seiten herumzieht und sie stark verzerrt. Genau das ist auf diesem kürzlich überarbeiteten Bild des Weltraumteleskops Hubble zu sehen.

Der Haufen GAL-CLUS-022058c besteht aus vielen Galaxien, er bricht das Bild einer gelb-roten Hintergrundgalaxie zu Bögen um die Bildmitte. Wegen ihrer ungewöhnlichen Form wird sie als geschmolzener Einsteinring bezeichnet, wobei vier Bilder derselben Hintergrundgalaxie gefunden wurden. Normalerweise kann ein Galaxienhaufen im Vordergrund nur so glatte Bögen erzeugen, wenn ein Großteil seiner Masse gleichmäßig verteilt ist – und sich somit nicht in den sichtbaren Haufengalaxien konzentriert.

Die Auswertung der Positionen dieser Gravitationsbögen bietet Astronom*innen eine Methode, um die Verteilung der Dunklen Materie in Galaxienhaufen abzuschätzen und Rückschlüsse darauf zu ziehen, wann die Sterne in diesen frühen Galaxien entstanden sind.

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Das Grinsen der Gravitation

Diese Grinsekatze im Sternbild Ursa Major ist ein Galaxienhaufen, der dahinter liegende Galaxien zu Bögen verzerrt, wie von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt.

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

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die vor mehr als 100 Jahren publiziert wurde, sagte das Phänomen der Gravitationslinsen voraus. Dieses Phänomen verleiht weit entfernten Galaxien eine drollige Erscheinung, wenn man sie mit den Augen der Weltraumteleskope Chandra und Hubble in Röntgen- und sichtbarem Licht betrachtet.

Diese Gruppe wird landläufig als Grinsekatze bezeichnet. Die beiden großen elliptischen Galaxien sind von suggestiven Bögen gerahmt. Diese Bögen sind optische Bilder weit entfernter Hintergrundgalaxien, die von der gesamten Gravitationsmasse der Gruppe im Vordergrund gebrochen werden. In dieser gravitativen Masse überwiegt Dunkle Materie.

Die beiden großen elliptischen „Augen“-Galaxien sind die hellsten Mitglieder ihrer jeweiligen Galaxiengruppen, die gerade miteinander verschmelzen. Ihre relative Kollisionsgeschwindigkeit von fast 1350 Kilometern pro Sekunde heizt Gas auf Millionen Grad auf. Dabei entsteht Röntgenleuchten, das hier in Violett abgebildet ist.

Neugierig auf die Galaxiengruppenverschmelzung? Die Grinsekatzen-Gruppe lächelt im Sternbild Ursa Major in einer Entfernung von 4,6 Milliarden Lichtjahren.

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Earendel: Ein Stern im frühen Universum

Das Bild zeigt den Stern Earendel im fernen Universum der durch einen Galaxienhaufen im Vordergrund so stark vergrößert wird, dass er auf der Erde tausendfach heller erscheint.

Bildcredit: NASA, ESA, B. Welch (JHU), D. Coe (STScI); Bearbeitung: A. Pagan (STScI)

Beschreibung: Ist Earendel der am weitesten entfernte Stern, der je entdeckt wurde? Diese wissenschaftliche Möglichkeit ergab sich, als das Weltraumteleskop Hubble einen riesigen Galaxienhaufen beobachtete. Der Gravitationslinseneffekt dieses Haufens vergrößert und verzerrt eine Galaxie weit dahinter. Diese verzerrte Hintergrundgalaxie ist mit einer Rotverschiebung von 6,2 sehr weit entfernt. Auf diesem Bild erscheint sie als lange rote Kordel. Die Perlen auf der Kette sind wahrscheinlich einzelne Sterne oder Sternhaufen.

Die Linse des Galaxienhaufens erzeugt eine Linie der maximalen Vergrößerung, wo überlagerte Hintergrundobjekte tausendfach vergrößert erscheinen können. Am Schnittpunkt zwischen der Galaxienlinie und der Linie der maximalen Vergrößerung befindet sich eine „Perle“, die vermutlich von einem einzelnen hellen Stern im frühen Universum stammt. Dieser wird nun Earendel genannt.

Künftige Forschungen enthalten vielleicht weiteres Bildmaterial von Hubble und – ziemlich wahrscheinlich – vom neuen James-Webb-Weltraumteleskop, wenn es in naher Zukunft in Betrieb geht. So können sich zeigen, wie sich die Helligkeit von Earendel verändert. Die große Entfernung von Earendel übertrifft die aller bekannten stabilen Sterne. Nur der Stern, bei dessen Explosion GRB 090423 entstand, hatte eine noch höhere Rotverschiebung von 8,2.

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NGC 3314: überlappende Galaxien

Das Hubblebild zeigt zwei überlappende Galaxien - NGC 3314 im Sternbild Wasserschlange.

Bildcredit: NASA, ESA, Hubble; Bearbeitung und Bildrechte: William Ostling (The Astronomy Enthusiast)

Beschreibung: Warum ruft die nähere Galaxie keinen Gravitationslinseneffekt bei der hinteren Galaxie hervor? Das tut sie, aber weil die Galaxien so nahe beieinander liegen, ist die Winkelverschiebung der Galaxien kleiner als ihre Winkelgröße.

Dieses Hubblebild von NGC 3314 zeigt zwei große Spiralgalaxien, die zufällig genau auf einer Linie stehen. Die Galaxie NGC 3314a im Vordergrund mit ihrer Windradform und ihren jungen, hellen Sternhaufen ist fast genau von oben sichtbar. Anders als die helle Hintergrundgalaxie NGC 3314b sieht man jedoch auch dunkle, wirbelnde interstellare Staubbahnen, welche die Struktur der näheren Spirale nachzeichnen. Beide Galaxien liegen am Rand des etwa 200 Millionen Lichtjahre entfernten Hydra-Galaxienhaufens.

Verzerrungen durch Gravitationslinsen sind leichter erkennbar, wenn die Linsengalaxie kleiner und weiter entfernt ist. Dann kann die Galaxie im Hintergrund sogar einen Ring um die nähere Galaxie bilden. Kurze Gravitationslinsenblitze durch Sterne in der Vordergrundgalaxie, die das Licht von Sternen in der Hintergrundgalaxie kurzzeitig verstärken, können bei künftigen Beobachtungskampagnen mit hochauflösenden Teleskopen sichtbar werden.

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SN Requiem: Eine Supernova, die wir schon dreimal gesehen haben

AT 2016jka, auch SN Requiem im Sternbild Walfisch wurde schon dreimal beobachtet, sehen wir sie in 16 Jahren ein viertes Mal?

Bildcredit: NASA, ESA, Hubble; Daten: S. A. Rodney (U. South Carolina) et al.; Bildbearbeitung: J. DePasquale (STScI)

Beschreibung: Wir haben diese Supernova schon dreimal gesehen – wann sehen wir sie zum vierten Mal? Wenn ein weit entfernter Stern als Supernova explodiert, haben wir Glück, wenn wir sie überhaupt sehen. Im Fall von AT 2016jka („SN Requiem“) zeigt ein Vergleich von Bildern des Weltraumteleskops Hubble, dass wir die Supernova dreimal gesehen haben, weil der explodierende Stern zufällig hinter dem Zentrum eines Galaxienhaufens lag (in diesem Fall MACS J0138).

Die drei Supernovabilder sind im linken Bild aus dem Jahr 2016 unten mit Kreisen markiert. Im rechten Bild, das 2019 aufgenommen wurde, sind die Kreise leer, weil alle drei Bilder der Einzel-Supernova schon verblasst waren. Ein Computermodell der Haufenlinse lässt jedoch vermuten, dass eines Tages im oberen Kreis auf der rechten Seite ein viertes Bild derselben Supernova erscheinen könnte. Aber wann?

Die besten Modelle schätzen, dass es im Jahr 2037 so weit sein wird, aber wegen der Unsicherheit der Massenverteilung in der Haufenlinse und der Helligkeitsentwicklung der Sternexplosion gibt es für dieses Datum eine Unsicherheit von zwei Jahren. Mit besseren Vorhersagen und genauer Überwachung könnten Erdlinge in 16 Jahren vielleicht dieses vierte Bild beobachten – und dabei mehr über Galaxienhaufen und Supernovae in Erfahrung bringen.

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Die Einsteinkreuz-Gravitationslinse

Das Einsteinkreuz im Sternbild Pegasus.

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

Beschreibung: Die meisten Galaxien haben einen einzigen Kern – hat diese Galaxie vier? Die seltsame Antwort führt Astronominnen und Astronomen zu dem Schluss, dass der eigentliche Kern der umgebenden Galaxie auf diesem Bild gar nicht sichtbar ist, sondern dass das Kleeblatt in der Mitte vielmehr Licht ist, das von einem Quasar im Hintergrund abgestrahlt wird. Das Gravitationsfeld der sichtbaren Galaxie im Vordergrund bricht das Licht des fernen Quasars in vier Einzelbilder.

Damit wir eine Fata Morgana wie diese sehen, muss der Quasar exakt hinter dem Zentrum einer massereichen Galaxie liegen. Der Effekt wird allgemein als Gravitationslinseneffekt bezeichnet, dieser spezielle Fall ist als Einsteinkreuz bekannt. Noch seltsamer ist, dass die relativen Helligkeiten der Bilder des Einsteinkreuzes schwanken, weil sie gelegentlich durch einen zusätzlichen gravitativen Mikrolinseneffekt einzelner Sterne in der Vordergrundgalaxie verstärkt werden.

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Abell 3827: Gravitationslinse eines Galaxienhaufens

Der Haufen Abell 3827 streut das Licht einer fernen Hintergrundgalaxie, sodass wir mehrere Bilder dieser Galaxie sehen.

Bildcredit: ESA/Hubble und NASA, R. Massey

Beschreibung: Ist das eine Galaxie oder sind es drei? Auf diesem Hubblebild des massereichen Galaxienhaufens Abell 3827 befindet sich rechts eine anscheinend höchst ungewöhnliche Galaxie – sie ist gekrümmt und hat drei Zentren. Eine genaue Analyse zeigt jedoch, dass es drei Bilder derselben Hintergrundgalaxie sind – und dass es mindestens vier weitere Bilder gibt.

Das Licht, das wir von dieser einzelnen blauen Galaxie im Hintergrund sehen, nimmt mehrere Wege durch die komplexe Gravitation des Haufens, so wie ein einzelnes fernes Licht mehrere Wege durch den Stiel eines Weinglases nehmen kann. Wenn man erforscht, auf welche Weise ein Haufen wie Abell 3827 und seine Bestandteile fernes Licht ablenkt, erhält man Information darüber, wie die Masse und die dunkle Materie darin verteilt sind.

Abell 3827 ist mit einer Rotverschiebung von 0,1 so weit entfernt, dass das Licht, das wir von ihm sehen, vor etwa 1,3 Milliarden Jahren abgestrahlt wurde, noch vor der Zeit, als Dinosaurier die Erde bewohnten. Daher sind die zentralen Galaxien des Haufens mittlerweile sicherlich bei einem Fest an galaktischem Kannibalismus zu einer riesigen Galaxie nahe dem Haufenzentrum verschmolzen.

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Vertont: Die Materie des Geschosshaufens


Bildcredit und Bildrechte: Röntgen: NASA/CXC/SAO; Optisch: NASA/STScI, Magellan/U.Arizona; Gravitationslinsenkarte: NASA/STScI, ESO WFI, Magellan/U.Arizona; Vertonung: NASA/CXC/SAO/K.Arcand, SYSTEM Sounds (M. Russo, A. Santaguida)

Beschreibung: Was ist mit dem Geschoßhaufen los? Dieser massereiche Galaxienhaufen (1E 0657-558) bildet Gravitationslinsenverzerrungen an Hintergrundgalaxien auf eine Weise, die als Bestätigung für die führende Theorie interpretiert wurde: dass es dort Dunkle Materie gibt.

Andere Untersuchungen lassen jedoch eine weniger beliebte Alternative vermuten: veränderte Gravitation. Diese könnte die Haufendynamik ohne Dunkle Materie erklären und bietet auch ein wahrscheinlicheres Ursprungsszenario.

Derzeit wetteifern zwei wissenschaftliche Hypothesen um die Erklärung der Beobachtungen: unsichtbare Materie versus veränderte Gravitation. Das Duell ist dramatisch, denn ein eindeutiges, „kugelsicheres“ Beispiel für Dunkle Materie würde die Einfachheit der Theorie der modifizierten Gravitation erschüttern.

Dieses vertonte Kompositbild stammt von Hubble, Chandra und Magellan. Röntgenstrahlen, die von heißem Gas abgestrahlt werden, sind rot abgebildet, Blau zeigt die vorgeschlagene getrennte Verteilung der Dunklen Materie. Tiefe Töne der Sonifikation sind der Dunklen Materie zugewiesen, mittlere Frequenzen dem sichtbaren Licht und hohe Töne den Röntgenstrahlen.

Der Kampf um die Materie im Geschoßhaufen geht wahrscheinlich weiter, sobald mehr Beobachtungen, Computersimulationen und Analysen abgeschlossen sind.

Bei APOD eingereicht: Schöne Bilder des Geminiden-Meteorstroms 2020
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