Pressemitteilungen 2013 MPIA Pressemitteilung Wissenschaft 2013-10 Donnerstag, der 17. Oktober 2013, 16:00 MESZ English version  Licht auf krummen Touren: Astronomen entdecken eine Gravitationslinse in Rekordentfernung Ein Astronomen-Team um Arjen van der Wel vom Max-Planck-Institut für Astronomie hat die bislang am weitesten entfernte Gravitationslinse entdeckt: eine Galaxie die, wie von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt, das Licht eines deutlich weiter entfernten Objekts ablenkt und verstärkt. Die Entdeckung ermöglicht es, die Masse einer weit entfernten Galaxie direkt zu messen. Aber sie gibt auch ein Rätsel auf: Linsen dieser Art müssten äußerst selten sein. Gemessen an der Zahl der bekannten Beispiele hatten die Astronomen entweder phänomenales Glück oder, wahrscheinlicher: sie haben die Anzahl kleiner, sehr aktiver junger Galaxien im frühen Universum erheblich unterschätzt. Abbildung 1: Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble von J1000+0221, der entferntesten bekannten Gravitationslinse. Das Licht des massereichen Objekt, das als Linse wirkt, benötigt 9,4 Milliarden Jahre (z = 1,53) um uns zu erreichen. Die Vordergrundgalaxie (Linsenmasse) erscheint orange gefärbt, die Hintergrundgalaxie, die in Form eines Einsteinrings vergrößert wird, bläulich. Der bläuliche Einsteinring misst nur 0,7 Bogensekunden im Durchmesser (entsprechend eines Durchmessers von 19,000 Lichtjahren am Ort der Linse). Das ist weniger als 1/2500 des Durchmessers des Vollmonds und an der Grenze desjenigen, was herkömmliche bodengebundene Teleskope überhaupt abbilden können. Das Objekt ist so klein, dass in dem Bild bereits die Pixelstruktur des Detektorchips sichtbar wird. Das Farbbild wurde aus drei separaten Aufnahmen mit zwei Teleskope an Bord des Weltraumteleskops Hubble erstellt: zwei nahinfraroten Bildern der Wide Field Camera 3 (Quelle: NASA, ESA und CANDELS) und einem Bild der Advanced Camera for Surveys (Quelle: NASA, ESA, CANDELS und COSMOS). Bild: MPIA / A. van der Wel [Größere Version zum Herunterladen]  Kontakt   Hintergrundinformationen   Fragen und Antworten   Bildmaterial  Licht wird von der Gravitation beeinflusst: Läuft Licht an einer entfernten Galaxie vorbei, wird es durch deren Gravitation ein wenig abgelenkt. Seit dem ersten Exemplar im Jahre 1979 wurden viele solcher Gravitationslinsen entdeckt. Sie stützen nicht nur Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, sondern haben sich auch als wertvolles Werkzeug erwiesen. Insbesondere lässt sich mit ihrer Hilfe die Masse der Materie bestimmen, die das Licht ablenkt – und zwar die Gesamtmasse, einschließlich der nach wie vor rätselhaften Dunklen Materie, die kein Licht emittiert oder absorbiert und daher nur über ihre Gravitationswirkung nachgewiesen werden kann. Darüber hinaus verstärkt die Linse die Lichtquelle im Hintergrund, agiert also als »natürliches Teleskop«, das den Astronomen einen detaillierteren Blick auf weit entfernte Galaxien gewährt als normalerweise möglich. Gravitationslinsen bestehen aus zwei Objekten: Der weiter entfernten Lichtquelle und der eigentlichen Linse, die zwischen uns und Lichtquelle sitzt und durch ihre Gravitation das Licht ablenkt. Liegen Beobachter, Linse und Lichtquelle exakt auf einer Linie, kann der Beobachter einen »Einstein-Ring« sehen: einen perfekten Kreis aus Licht; das verzerrte und deutlich verstärkte Bild der entfernten Lichtquelle. Jetzt haben Astronomen die bislang am weitesten entfernte Gravitationslinse gefunden. Arjen van der Wel vom MPIA erklärt: »Die Entdeckung war vollkommen zufällig. Ich war gerade dabei, Beobachtungen eines früheren Projektes durchzusehen. Dessen Ziel war es gewesen, die Massen alter, weit entfernter Galaxien anhand der Bewegung ihrer Sterne zu bestimmen. Inmitten der Galaxienspektren« – der regenbogenähnlichen Auffächerung des Galaxienlichts in Myriaden unterschiedlicher Farbtöne – »bemerkte ich eine höchst eigenartige Galaxie. Sie sah aus wie eine extrem junge Galaxie und schien in einer Entfernung zu liegen, die sogar noch größer war als der Entfernungsbereich, auf den wir es abgesehen hatten. Dieses Objekt hätte eigentlich gar nicht Teil unseres Beobachtungsprogramms sein dürfen!« Bei den Daten handelte es sich um Spektren, die mit dem Large Binocular Telescope in Arizona aufgenommen worden waren. Um herauszufinden, was er da gesehen hatte, nahm van der Wel sich Bilder der betreffenden Galaxie vor, die im Zuge der CANDELS- und COSMOS-Durchmusterungen mit dem Weltraumteleskop Hubble aufgenommen worden waren. Auf den Bildern sah das Objekt nun wiederum wie eine alte Galaxie aus, wie es dem geplanten Beobachtungsprogramm nach zu erwarten war. Bei näherem Hinsehen fand van der Wel allerdings einige Unregelmäßigkeiten aus – Hinweise darauf, dass dies eine Gravitationslinse sein könnte. Nachdem er alle verfügbaren Bilder miteinander kombiniert und weite Teile des Sternenlichts der Vordergrundgalaxie abgezogen hatte, war das Ergebnis eindeutig: ein fast perfekter Einstein-Ring, der auf sehr präzise in Linie liegende Linse und Hintergrundquelle schließen ließ (Abweichung von weniger als 0,01 Bogensekunden). Die Gravitationslinse ist so weit weg, dass das Licht, nachdem es abgelenkt wurde, noch 9,4 Milliarden Jahre unterwegs war, bis es die Erde erreichte (Rotverschiebung z = 1,53; zum Vergleich: das Alter des Universums beträgt 13,8 Milliarden Jahre). Der bisherige Rekordhalter wurde vor rund 30 Jahren entdeckt. Dort brauchte das Licht nur 8 Milliarden Jahre, um uns nach seiner Ablenkung zu erreichen. Das ist nicht nur ein neuer Rekord, sondern das Objekt erfüllt auch einen wichtigen Zweck: Das Ausmaß der Verzerrung durch die Gravitationslinse erlaubt die direkte Bestimmung ihrer Masse. Die üblichen Methoden zur Abschätzung der Masse weit entfernter Galaxien beruhen auf den Eigenschaften uns näherer Galaxien – und extrapolieren diese zu größeren Entfernungen. Mithilfe der neuen, direkten Messungen lassen sich diese Methoden auf die Probe stellen. Und die Astronomen können aufatmen: Die herkömmlichen Methoden bestehen diesen Test! Aber die Entdeckung gibt den Astronomen auch ein Rätsel auf. Der Gravitationslinseneffekt wird nur sichtbar, wenn Lichtquelle, Linsenmasse und Beobachter mit großer Genauigkeit in einer Reihe stehen. In diesem speziellen Fall, in dem ein Einsteinring sichtbar ist, ist die Genauigkeit sogar besonders groß. Damit noch nicht genug: Die Lichtquelle ist eine sogenannte Starburst-Zwerggalaxie, also eine vergleichsweise massenarme Galaxie (nur etwa 100 Millionen Sonnenmassen), die sehr jung ist (ungefähr 10-40 Millionen Jahre alt) und mit einer enorm hohen Rate neue Sterne hervorbringt (vgl. die MPIA-Pressemitteilung 2011-11-10). Die Wahrscheinlichkeit, diese spezielle Sorte von Galaxie als Lichtquelle für eine Gravitationslinse zu finden, ist äußerst gering. Aber dies ist nun bereits die zweite Starburst-Zwerggalaxie, die in solch einer Konstellation gefunden wurde. Entweder hatten die Astronomen phänomenales Glück, oder aber Starburst-Zwerggalaxien sind viel häufiger als bisher angenommen, was die Astronomen zwingen würde, ihre Modelle für die Galaxienentstehung und -entwicklung zu überdenken. Van der Wel fasst zusammen: »Das war eine merkwürdige und interessante Entdeckung. Zufällig verbindet sie zwei ganz verschiedene Themen meiner Forschungsarbeit – alte, massereiche Galaxien, und junge Starburst-Zwerge. Und das Ergebnis könnte unsere Vorstellungen von der Galaxienentwicklung im frühen Universum tüchtig aufrütteln.« top Kontakt Arjen van der Wel (Erstautor) Max-Planck-Institut für Astronomie Heidelberg Telefon: (+49|0) 6221 – 528 461 E-Mail: vdwel@mpia.de Markus Pössel (Öffentlichkeitsarbeit) Max-Planck-Institut für Astronomie Heidelberg Telefon: (+49|0) 6221 – 528 261 E-Mail: pr@mpia.de top Hintergrundinformationen Die hier beschriebenen Ergebnisse sind veröffentlicht als van der Wel et al., "Discovery of a quadruple lens in CANDELS with a record lens redshift z = 1.53" in Astrophysical Journal Letters. • ADS-Eintrag des Fachartikels Die Mitglieder der Arbeitsgruppe sind Arjen van der Wel, Glenn van de Ven, Michael Maseda, Hans-Walter Rix (alle Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA]), Gregory Rudnick (University of Kansas und MPIA), Andrea Grazian (INAF), Steven Finkelstein (University of Texas at Austin), David Koo, Sandra M. Faber (beide University of California, Santa Cruz), Henry Ferguson, Anton Koekemoer, Norman Grogin (alle STScI), und Dale Kocevski (University of Kentucky). Das Large Binocular Telescope (LBT) auf dem Mount Graham (Arizona, USA), das zwei riesige Spiegel mit 8.4 Metern Durchmesser auf einer Montierung vereint, ist ein Gemeinschaftsprojekt der Italian astronomical community (National Institute of Astrophysics – INAF), der University of Arizona, Arizona State University, Northern Arizona University, der LBT Beteiligungsgesellschaft in Deutschland (Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Astrophysikalisches Institut in Potsdam, Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in München, und Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn) und der Ohio State University and Research Corporation (Ohio State University, University of Notre Dame, University of Minnesota, und University of Virginia) LUCI, die Large Binocular Telescope Near-infrared Utility with Camera and Integral Field Unit, ist ein flexibles Vielzweck-Instrument am LBT, das ein großes Gesichtsfeld mit hoher Auflösung kombiniert. Es unterstützt drei auswechselbare Kameras für Direktbilder und Spektroskopie in verschiedenen Auflösungen je nach Beobachtungsanforderungen. Neben der herausragenden Technik zur Gewinnung von Bildern mit gegenwärtig 18 Hochqualitätsfiltern, erlaubt LUCI-1 die gleichzeitige Spektroskopie von etwa zwei Dutzend Objekten im Infrarot mittels lasergestanzter Schlitzmasken. Die LUCI-Instrumente wurden durch ein Konsortium von fünf deutschen Instituten gebaut (unter der Leitung des Zentrums für Astronomie Heidelberg (Landessternwarte Heidelberg, LSW) in Zusammenarbeit mit dem Max Planck Institut für Astronomie in Heidelberg (MPIA), dem Max Planck Institut für Extraterrestrische Physik in Garching (MPE), dem Astronomischen Institut der Ruhr-Universität in Bochum (AIRUB), sowie der Hochschule Mannheim. CANDELS, der »Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey« – sinngemäß die tiefe extragalaktische Durchmusterung zur Entstehung kosmischer Strukturen, deren Daten langfristig verfügbar bleiben sollen – ist eine Durchmusterung, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop (Hubble Space Telescope, HST) durchgeführt wird. Mit 4 Monaten Netto-Beobachtungszeit (also Zeit, in der das Teleskop tatsächlich Daten aufnimmt) handelt es sich um das bislang größte Projekt des Weltraumteleskops. CANDELS benutzt zwei astronomische Instrumente an Bord des Hubble-Teleskops: die WFC3-Kamera für Aufnahmen im nahinfraroten Bereich und die ACS-Kamera für Beobachtungen im sichtbaren Bereich des Spektrums. Mit diesen Instrumenten untersucht CANDELS verschiedene Stadien der Entstehung und Entwicklung von Galaxien, von der ersten Milliarde Jahre der kosmischen Evolution bis zur Jetztzeit. top Fragen und Antworten Welche Teleskope und Instrumente wurden in dieser Studie verwendet? Der anfängliche Fund wurde in einem Satz von Galaxienspektren gemacht, die mit der nahinfraroten Kamera-/Spektroskopkombination LUCI aufgenommen worden waren. In der Studie wurden außerdem Bilder von der Wide Field Camera 3 und der Advanced Camera for Surveys (HST/WFC3 und HST/ACS) des Hubble-Space-Telescopes verwendet, die als Teil der CANDELS-Durchmusterung aufgenommen worden waren, sowie HST/ACS-Bilder aus der COSMOS-Durchmusterung. Die Verzerrung durch die Optik im Teleskop wurde für die hier gezeigten Bilder entfernt (»deconvolution«). Wie sind die Elemente der neu entdeckten Gravitationslinse angeordnet? Anhand der Entfernungsmessungen von Linse und Hintergrundquelle schloss van der Wel, dass es sich bei der Lichtquelle um eine damals sehr junge Galaxie handelt, deren Licht 11,8 Milliarden Jahre benötigt, um uns zu erreichen. 2,4 Milliarden Jahre nachdem das Licht ausgesendet worden war, lenkte eine massereiche, als Gravitationslinse wirkende Galaxie es um 0,35 Bogensekunden ab, und weitere 9,4 Milliarden Jahre später erreichte das Licht unsere Teleskope. Aufgrund der Lichtablenkung kam 40mal mehr Licht bei uns an, als dies ohne Linse der Fall gewesen wäre. Die 9,4 Milliarden Jahre Reisezeit von der Gravitationslinse zu uns, die einer Rotverschiebung von z = 1,53 entsprechen, damit den bisherigen Rekord um fast zwei Milliarden Jahre toppt. Was ist neu/wichtig an den Ergebnissen? Es handelt sich um die bislang am weitesten entfernte Gravitationslinse. (Für Hintergrundobjekte, die wir dank der verstärkenden Wirkung von Gravitationslinsen sehen, gibt es noch weiter entfernte Beispiele. Für das am weitesten entfernte entsprechende Objekt ist die Linsenmasse ein massereicher Galaxienhaufen, vgl. http://www.spacetelescope.org/news/heic1217/)). Der bisherige Rekordhalter war die dreifache Radioquelle MG2016+112, die vor fast 30 Jahren bei einer Rotverschiebung von z = 1 entdeckt wurde (Lawrence et al. 1984; Schneider et al. 1986). Seither sind keine weiter entfernten starken Gravitationslinsen gefunden worden – obwohl es im Bereich z < 1 eine Vielzahl von Entdeckungen gab (z.B., Bolton et al. 2006; Faure et al. 2008; More et al. 2012). Eine Handvoll unsicherer Kandidaten z ∼ 1.2 (More et al. 2012), bei denen zweifelhaft ist, ob es sich überhaupt um Gravitationslinsen handelt, haben wir hier nicht mitgezählt. Alle obigen Aussagen und auch der neue Rekord selbst beziehen sich auf sogenannte starke Gravitationslinsen – dort ist der Gravitationslinseneffekt so ausgeprägt, dass Mehrfachbilder oder -bögen oder Einsteinringe entstehen. Letztlich wird aber alles Licht, das durchs Weltall reist, zumindest ein bisschen durch die Gravitation beeinflusst. Dementsprechend ist auch jedes Bild einer fernen Galaxie, das wir am Himmel sehen, ein wenig verzerrt. Dies wird als schwacher Gravitationslinseneffekt bezeichnet und kann nachgewiesen werden, wenn man die Formen einer großen Zahl von Galaxien gleichzeitig analysiert. Der Effekt ist an zahlreichen Beispielen nachgewiesen; das entfernteste Linsenobjekt war dabei ein massereicher Galaxienhaufen bei einer Rotverschiebung von 1.3. Auf kosmologischen Größenskalen können noch schwächere Verzerrungen nachgewiesen, aber keinen spezifischen Linsenobjekten mehr zugeordnet werden. Da die Masse des Linsen-Systems aus der Verzerrung des Bildes ermittelt werden kann, ergibt sich mit dem neuen Fund eine Möglichkeit, die herkömmlichen Methoden zur Massenbestimmung bei Galaxien auf die Probe zu stellen. Diese Methoden ziehen ihre Schlüsse aus den Farben und Leuchtkräften der Galaxien, die wiederum mit den Sternmassen zusammenhängen. Die Gesamtmasse wird dann unter Verwendung von Zusammenhängen abgeschätzt, die für nähere Galaxien gelten, deren Gesamtmassen wiederum auf anderem Wege bestimmt werden können. Das ist potentiell problematisch, weil zwischen den Entwicklungsstadien der verglichenen Galaxien Milliarden Jahre liegen. Van der Wels Entdeckung hat also einen Weg eröffnet, Standardmethoden zur Bestimmung von Galaxienmassen zu testen – und zeigt, dass diese Methoden durchaus vernünftige Werte liegen. Der Umstand, dass wir diese Linse überhaupt gefunden haben, ist für sich genommen bereits ein interessantes Rätsel. Die Wahrscheinlichkeit für die zufälligen Reihungen, die für eine Gravitationslinse nötig ist, ist gering – und noch deutlich geringer für Linsenmassen aus dem frühen Universum als für nähere Exemplare. Der Umstand, dass es sich bei dem abgebildeten Objekt um eine Starburst-Zwerggalaxie handelt, also um einen Galaxientyp, der bislang seinerseits für recht selten gehalten wurde, verringert die Wahrscheinlichkeit noch einmal. Rein von der Wahrscheinlichkeit her würde man etwa fünf Gravitationslinsen, die Galaxien dieser Art zeigen, im gesamten von CANDELS abgedeckten Gebiet erwarten – und die Wahrscheinlichkeit, eine zu finden, deren Objekte so exakt aufgereiht sind wie die jetzt gefundene, beträgt nur ein halbes Prozent! Entweder hatten die Astronomen sehr viel Glück mit dem Fund dieser Linse, oder zufällige Reihenanordnungen solcher Bestandteile – insbesondere der weit entfernten Starburst-Zwerggalaxie – sind wahrscheinlicher als bislang angenommen. Dies würde bedeuten, dass weit entfernte Starburst-Zwerggalaxien deutlich häufiger sind, als auf Grundlage aktueller Beobachtungen geschätzt. Wenn letzteres der Fall wäre, könnte es eine ganze Population solcher Galaxien knapp unter der Nachweisgrenze des CANDELS-Surveys geben. Die Existenz dieser Population könnte wesentliche Modifikationen unserer derzeitigen Modelle der frühen Galaxienentwicklung erfordern. top Bildmaterial PR_2013_10_1.jpg JPG RGB 510 x 510 pxl 72 dpi 53 KB PR_2013_10_1gr.jpg JPG RGB 1200 x 1200 pxl 72 dpi 154 KB PR_2013_10_1hr.jpg JPG RGB 2000 x 2000 pxl 72 dpi 245 KB PR_2013_10_1.psd PSD RGB 2000 x 2000 pxl 72 dpi 931 KB Pressemitteilungen 2013