Vor hundert Jahren führte Albert Einstein eine radikal neue Denkweise über die Schwerkraft ein. Seine allgemeine Relativitätstheorie ging davon aus, dass der Raum keine leere Arena ist, in der sich die Ereignisse des Universums abspielen, sondern ein aktiver Teilnehmer an diesen Ereignissen.
Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie verzerrt alles, was Masse hat - ein Stern, ein Planet, ein Otter - den Raum um ihn herum und bewirkt, dass er sich krümmt. Die Materie krümmt den Raum und diese Krümmung sagt anderen, wie sie sich bewegen soll. Wir Menschen sind schlecht gerüstet, um uns einen gekrümmten dreidimensionalen Raum vorzustellen. Hier also eine zweidimensionale Analogie: Wenn ein schwerer Ball auf ein Trampolin gelegt wird, verbiegt sich die Oberfläche des Trampolins. Wenn Sie dann Murmeln über die Oberfläche des Trampolins rollen, werden ihre Wege gekrümmt. Es ist eine unvollkommene Analogie, vermittelt aber die allgemeine Idee. Aus diesem Grund folgt die Erde einem gekrümmten Pfad um die Sonne und der Mond einem gekrümmten Pfad um die Erde.
Ein wesentliches Merkmal der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass die Krümmung des Raums sowohl den Lichtweg als auch die Materie beeinflusst. Dieser Effekt wird als „Gravitationslinseneffekt“ bezeichnet. Er unterscheidet sich von der Art und Weise, wie sich Licht unter der Newtonschen Schwerkraft verhält. Eine sofortige Anwendung des Gravitationslinseneffekts dient also dazu, die allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Es erweist sich auch als äußerst nützlich, um die entferntesten Ecken des Universums zu untersuchen, da dadurch die Bilder weit entfernter Galaxien vergrößert werden.
Wie funktioniert die Gravitationslinse? Wenn Licht, das von einem entfernten Stern auf uns zukommt, an einem anderen massiven Objekt vorbeikommt - beispielsweise einem anderen Stern oder einer anderen Galaxie -, wird dieses Licht abgelenkt und sein Weg verändert. Wenn dieses Licht die Erde erreicht, scheint es aus einer anderen Richtung als seinem ursprünglichen Weg zu kommen. Wir sehen den Stern an einer anderen Position am Himmel als dort, wo er sich tatsächlich befindet. Diese scheinbare Bewegung des Hintergrundsterns ist genau doppelt so groß wie in der Newtonschen Schwerkraft. Daher bietet es eine einfache Möglichkeit, Einsteins Theorie zu testen.
Um zu messen, um wie viel sich das Bild eines Sterns bewegt hat, muss man es jedoch beobachten können, bevor und nachdem sein Licht von der dazwischenliegenden Masse abgelenkt wird. Wir haben normalerweise nicht die Möglichkeit, weit genug von der Erde entfernt zu sein, um entfernte Sterne aus zwei verschiedenen Winkeln zu sehen, aber wir können die Tatsache ausnutzen, dass wir uns um die Sonne bewegen.
Wenn wir einen Stern im gegenüberliegenden Teil des Himmels von der Sonne aus beobachten, sehen wir seine "wahre" Position. Sechs Monate später befindet sich der Stern im selben Teil des Himmels wie die Sonne, und wir können dann messen, wie stark das Licht des Sterns von der Sonnenmasse abgelenkt wird. Wir können Sterne normalerweise nicht beobachten, wenn sie der Sonne nahe sind, weil es Tag ist, an dem die Sonne aufgeht. Aber unter bestimmten Umständen können wir. Es gibt eine Zeit, in der die Sonne aufgeht, aber das Sonnenlicht blockiert ist: eine totale Sonnenfinsternis.
Im Mai 1919 erhielten die Astronomen einen Blick auf eine Sonnenfinsternis, die sowohl in Teilen Afrikas als auch in Südamerika sichtbar war. Um die Aussichten auf eine erfolgreiche Beobachtung der Sonnenfinsternis zu maximieren, wurden zwei Teams entsandt: eines nach Brasilien und eines unter der Leitung von Sir Arthur Eddington auf die Insel Principe vor der Küste Westafrikas. Trotz teilweiser Wolkendecke war Eddingtons Team erfolgreich. Die Ablenkung des Lichts, das sie von den Sternen im Hyaden-Cluster gemessen hatten, stimmte perfekt mit Einsteins Theorie überein.
Während der totalen Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919 bestätigte Sir Arthur Eddington (rechts) Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, indem er die Ablenkung des Sternenlichts neben der Sonne berechnete. (AKG) Diese Entdeckung war bedeutsam. "LICHTER ALLE ASKEW IN DEN HIMMELN. EINSTEIN THEORY TRIUMPHS", proklamierte die New York Times. (Es fügte hinzu: "Männer der Wissenschaft sind mehr oder weniger besorgt über die Ergebnisse von Eclipse-Beobachtungen.") Die Bestätigung bot einen Moment der Einheit in einer vom Krieg zerrissenen Welt; Wie der Physiker JP McEvoy in seinem 1999 erschienenen Buch Eclipse feststellte, "wurde eine neue Theorie des Universums, die Idee eines in Berlin arbeitenden deutschen Juden, von einem englischen Quäker auf einer kleinen afrikanischen Insel bestätigt."
Erst 1936 erkannte ein Schweizer Astronom namens Fritz Zwicky das Potenzial der Gravitationslinse als Werkzeug, um das Universum jenseits unserer stellaren Nachbarschaft zu untersuchen. Bei der Berechnung der Massen von Galaxienhaufen - zu jener Zeit als extragalaktische Nebel bekannt - stellte Zwicky fest, dass es eine gute Chance gibt, dass weiter entfernte Galaxien, die sich hinter ihnen befinden, ihr Licht ablenken, wenn es diese Galaxienhaufen passiert. 1937 schrieb er, dass dieser Effekt "es uns ermöglichen würde, Nebel in größeren Entfernungen zu sehen, als sie normalerweise von selbst den größten Teleskopen erreicht werden."
Der Schlüssel zu diesem Konzept ist ein Merkmal der Gravitationslinse, das es unglaublich nützlich macht: Licht, das sonst von uns weggelenkt würde, wird in unsere Richtung gedreht, was bedeutet, dass wir mehr Licht von Linsenquellen sehen, als wir normalerweise sehen würden. Mit anderen Worten, ferne Galaxien, die sich zufällig hinter massiven Objekten befinden, werden vergrößert. Und da Galaxienhaufen die massereichsten Strukturen im Universum sind, sind sie die besten Lupen, die die Natur zu bieten hat.
Fast 50 Jahre lang fand Zwickys Vorschlag wenig Beachtung. Die potentiellen Linsengalaxien waren schließlich viel zu schwach, um gesehen zu werden. Dies änderte sich in den 1980er Jahren, als die Entwicklung der ersten digitalen Bildaufnahmegeräte Fotoplatten ersetzte und die Empfindlichkeit von Teleskopen gegenüber schwachen Quellen dramatisch erhöhte.
1986 wurde im Galaxienhaufen Abell 370 ein dramatischer Lichtbogen entdeckt. Der lange, rote Lichtbogen in diesem Bild war doppelt so weit entfernt wie der Haufen selbst: Es ist eine Hintergrundgalaxie - eine Spirale ähnlich der Milchstraße. wessen Licht durch die Masse des Clusters verzerrt wurde und es in diesen enormen Bogen streckte. Ein Jahrzehnt später brach eine andere Galaxie mit Linsen den Rekord für das am weitesten entfernte bekannte Objekt. Zum ersten Mal seit den 1960er Jahren hatte eine reguläre Galaxie - kein Quasar, die hellsten Objekte im Universum - diesen Rekord gehalten.
Dieses langzeitbelichtete Hubble-Weltraumteleskop-Bild des riesigen Galaxienhaufens Abell 2744 (Vordergrund) ist das tiefste, das jemals von einem Galaxienhaufen aufgenommen wurde. (NASA / ESA) Im Jahr 2009 lieferte der Start des Hubble-Weltraumteleskops (HST) die empfindlichsten Bilder, die jemals vom fernen Universum erhalten wurden, und seine letzte Wartungsmission fügte eine neue äußerst empfindliche Nahinfrarotkamera hinzu. Derzeit läuft mit Hubble ein neues Programm, das die Grenzen unseres Blicks in das Universum noch weiter erweitern soll: das Hubble Frontier Fields-Programm.
Die Idee hinter diesem Programm ist es, unglaublich tiefe Beobachtungen zu machen, die die schwächsten, am weitesten entfernten Galaxien aufdecken - aber strategisch auf Galaxienhaufen ausgerichtet, um von dem Vergrößerungseffekt der Gravitationslinse zu profitieren. Das Programm wird insgesamt sechs riesige Galaxienhaufen abdecken, von denen bisher fünf abgeschlossen wurden. Die leitende Wissenschaftlerin des Frontier Fields-Projekts, Jen Lotz, beschrieb es als "die tiefste Sicht des Universums, die jemals aufgenommen wurde".
"The Frontier Fields ist ein Experiment", sagt Matt Mountain, Präsident der Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) und ehemaliger Direktor des Space Telescope Science Institute, das Hubble betreibt. Die Kernfrage des Experiments: "Können wir Hubbles exquisite Bildqualität und Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie verwenden, um nach den ersten Galaxien zu suchen?"
Die vorläufige Analyse der ersten Frontier Fields hat bereits eine Fülle von Einsichten in das frühe Universum geliefert. Weit hinter dem ersten Cluster, Abell 2744, haben wir vergrößerte Bilder einer Gruppe von Galaxien im frühen Universum gefunden - nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall -, die möglicherweise gerade dabei sind, einen eigenen Cluster zu bilden.
Eine sorgfältige Untersuchung der Frontier Fields-Bilder zeigt Galaxien, die durch Gravitationslinsen 50-fach oder mehr vergrößert wurden. Dies sind einige der schwachsten Galaxien, die jemals im frühen Universum gesehen wurden. Die kleinste davon wird so etwas wie der Fornax-Zwerg sein, eine winzige Galaxie, die die Milchstraße umkreist und etwa ein Tausendstel ihrer Masse ausmacht. Obwohl das für Galaxienmaßstäbe winzig ist, erfahren wir von den Frontier Fields, dass es im frühen Universum eine große Anzahl kleiner Galaxien gab. In der Tat so viele, dass sie zusammen für den größten Teil der Energie in den ersten Milliarden Jahren des Universums verantwortlich waren.
Die Grenze, wie weit wir in die Vergangenheit blicken können, wird durch die Fähigkeiten des Hubble-Weltraumteleskops festgelegt. Die ersten Galaxien haben ihr Licht durch die Ausdehnung des Weltraums so weit ins Infrarot verschoben, dass Hubble sie nicht sehen kann. All dies wird sich 2018 ändern, wenn Hubbles Nachfolger, das James Webb-Weltraumteleskop, 2018 auf den Markt kommt. Mit einem größeren Spiegel und empfindlicheren Kameras, die weiter in das Infrarot hineinsehen können, wird Webb es uns ermöglichen, noch weiter in die Vergangenheit zu blicken und zu blicken Betrachten Sie noch schwächere Galaxien. Indem wir Webb auf Galaxienhaufen richten und Gravitationslinsen zu unserem Vorteil einsetzen, können wir diese Grenzen noch weiter ausbauen.
In nur wenigen Jahren werden wir uns vielleicht die allerersten Galaxien ansehen, die sich jemals gebildet haben.
