Fast pünktlich zum Einstein-Jubiläum: Supernova mit Ankündigung – dank Gravitationslinsen!

RELATIV EINFACH

Dieser Tage befinden wir uns mitten im 100jährigen Jubiläum von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, also von Einsteins Theorie von Raum, Zeit und Gravitation. Wer meinen Jubiläumsvortrag dazu noch mitbekommen möchte, hat am 25. November in Berlin im Planetarium am Insulaner dazu Gelegenheit; in Heidelberg habe ich ihn letzte Woche bereits zweimal gehalten, und eine Hauptbotschaft bei meinem Überblick über die letzten hundert relativistischen Jahre lautet: Wo sich die Beobachter und Experimentatoren anfangs sehr abmühen mussten, um die von Einstein vorhergesagten Effekte wie Lichtablenkung im Schwerefeld oder Gravitations-Rotverschiebung nachzuweisen, sind dieselben Effekte heutzutage längst entweder Störeffekte bei anderen Messungen oder aber Werkzeuge, die sich beispielsweise für astronomische Messungen nutzen lassen.

Pünktlich zum Jubiläum haben Astronomen um Tommaso Treu (UCLA und UCSB) bekanntgegeben, dass im ersten Drittel des kommenden Jahres eine ausnehmend coole neue Anwendung eines der allgemein-relativistischen Effekte bevorsteht. (Dass etwas bevorsteht, war seit dem letzten Frühjahr bekannt; die Einschränkung des Termins ist neu.) Es geht um diesen Galaxienhaufen hier; die Abbildung wurde mit dem Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen:

Galaxy cluster MACS j1149.5+223
Galaxienhaufen MACS J1149.5+223. Bild: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

Der Haufen liegt im Sternbild Löwe, und zwar soweit entfernt, dass das Licht dieser Galaxien rund 5 Milliarden Jahre benötigt, um uns zu erreichen. Und in diesem Haufen hatten Astronomen um Patrick L. Kelly von der University of California, Berkeley, im November 2014 ein vierfaches Bild einer Supernova entdeckt. Hier ist die Lage des Bildes in dem Haufen zu sehen:

Galaxy cluster MACS j1149.5+223 and a supernova four times over
Lage der Vierfach-Supernova im Galaxienhaufen MACS J1149.5+223. Bild: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

Die Pfeile in dem kleinen Bildausschnitt zeigen nicht auf vier gesonderte Objekte, sondern auf vier Bilder ein und desselben Objekts, oder genauer: desselben Ereignisses, nämlich einer Supernova, die in dem betreffenden Bild an vier verschiedenen Orten zu beobachten ist. (Hier ist die Pressemitteilung der Astronomen dazu und hier der Fachartikel.) In diesem Ausschnitt aus einem Bild zur Pressemitteilung ist schematisch zu sehen, wie das zustandekommt:

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Auschnitt aus diesem Bild. Bildnachweis: NASA & ESA

Das Licht stammt von einer Supernova in einer entfernten Galaxie (ganz rechts), die von uns noch deutlich weiter entfernt ist als der Galaxienhaufen: Ihr Licht benötigt 9 Milliarden Jahre, um uns zu erreichen. Das Licht der Supernova wird von der Masse der in der Mitte befindlichen Galaxie abgelenkt (in rund 5 Milliarden Entfernung von uns); Licht von ein und demselben Objekt erreicht das Weltraumteleskop (links) daher auf vier unterschiedlichen Wegen, als sogenanntes Einsteinkreuz. Durch den Linseneffekt ist das Licht der Supernova um einen Faktor 20 verstärkt – Gravitationslinsen sind eben eine Art natürliche Teleskope, die Astronomen blicke auf ferne Objekte ermöglichen, die anders gar nicht in dieser Deutlichkeit nachweisbar wären!

Dieser Lichtablenkungseffekt ist eine der Hauptvorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie; dass er im Jahre 1919 durch Messungen während einer Sonnenfinsternis bestätigt wurde, katapultierte Einstein damals über Nacht zu Weltruhm und legte den Grundstein für den bis heute anhaltenden Einstein-Rummel. (Historisch gesehen war eine Newton’sche Version der Lichtablenkung schon lange vorher von Soldner und Cavendish erschlossen worden; solche Rechnungen ergeben allerdings nur die Hälfte des Einstein’schen Ablenkungswinkel, und diesen Unterschied konnte die Messung von 1919 nachweisen.)

Der erste, der darauf hingewiesen hatte, dass man aus solchen Mehrfach-Messungen an einer Supernova Rückschlüsse auf die Expansion des Universums ziehen könnte, nämlich auf die grundlegende Zeitskala der kosmischen Expansion (in den Modellen taucht sie als Hubble-Konstante auf), war der norwegische Astronom Sjur Refsdal Mitte der 1960er Jahre. Folgerichtig haben die Astronomen diese erste nachgewiesene Mehrfach-Supernova inoffiziell dann auch “SN Refsdal” getauft – auch wenn die Eigenschaften der Linse (Geometrie, Wert der Zeitverzögerung) noch nicht genau genug bekannt sind, um die von Refsdal vorgeschlagene Bestimmung der Hubblekonstante vorzunehmen.

Refsdal war lange Jahre Professor an der Sternwarte in Hamburg, und ich habe ihn dort als umgänglichen, eher stillen aber sehr kompetenten Hochschullehrer erleben dürfen – zum einen in seiner Kosmologievorlesung samt entsprechender Diplomprüfung, zum anderen in einem Seminar, in dem es um Gravitationslinsen ging.

Die Vierfach-Linse ist aber noch nicht alles, sondern eigentlich ein sekundärer Effekt. Tatsächlich ist sie nur eines von drei deutlich weiter getrennten Mehrfachbildern desselben Systems, wie die folgende schematische Abbildung zeigt:

Illustration showing gravitational lensing producing four supern
Schematische Darstellung der Refsdal-Supernova. Bild: NASA, ESA

Im folgenden Bild sind die drei Bilder ein und derselben Galaxie umkringelt dargestellt:

Appearance of the the Refsdal Supernova
Drei Ausstrahlungen ein und desselben Supernova-Films. Bild: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

Interessant ist, dass das Licht der verschiedenen Bilder von der abgebildeten Galaxie bei uns unterschiedliche und vor allem auch unterschiedlich lange Bahnen durchläuft. Ein Ereignis begrenzter Dauer wie eine Supernova ist daher je nach Laufzeitunterschied nicht auf allen Bildern gleichzeitig zu sehen, sondern typischerweise zu verschiedenen Zeiten erst hier, dann dort, dann dort.

Jetzt haben die Entdecker von SN Refsdal ein Modell präsentiert, das konkrete Vorhersagen für die Laufzeitunterschiede trifft. (Hier ist die kurze Pressemitteilung dazu, hier der Fachartikel.) Die Supernova, die in dem rot umrandeten Kreis links oben sichtbar war, haben die Astronomen demnach verpasst, denn sie dürfte bereits 1995 sichtbar gewesen sein. (Bei dieser Gelegenheit dürften alle, die entsprechende Daten haben könnten, in ihren Archivaufnahmen wühlen – vielleicht hat ja doch jemand 1995 aufgenommen, was da passiert ist?) In dem Kreis unten rechts wurde Anfang dieses Jahres das Vierfachbild der Supernova beobachtet (im obigen Überblicksbild ja auch noch sichtbar).

Spannend wird es mit dem Kreis in der Mitte. Das Modell der Astronomen – mit etwas Unsicherheit behaftet ob der komplexen Massenverteilung in so einem großen Haufen – sagt nämlich voraus, dass die Supernova bei diesem Bild der fernen Galaxie im ersten Drittel des Jahres 2016 sichtbar werden sollte.

Das ist zum einen ein schöner Tests des Modells und für die Astronomie etwas eher ungewöhnliches: Astronomen erklären zwar, was da passiert, und testen ihre Theorien und Modelle, indem sie sie auf verschiedenste Exemplare ein und derselben Objektklasse anwenden. Aber regelrechte Vorhersagen, dass ein bestimmtes Ereignis in dem-und-dem Zeitraum stattfinden sollte, sind dort eher die Ausnahme. Die Astronomen haben ihren Fachartikel denn auch “‘Refsdal’ trifft Popper” genannt, mit dem Anspruch auf eine Popper’sche Falsifikations-Möglichkeit direkt im Titel.

Zum anderen ist es spannend, eine “Supernova mit Ankündigung” (oder, wenn man so will, mit Wiederholung ein paar Monate später) vorliegen zu haben. Typischerweise werden Supernovae ja erst beobachtet, wenn sie hell genug geworden sind, dass jemandem auffällt, was da passiert ist. Bei einer Supernova mit Vorankündigung kann man schon im Vorfeld mit verschiedensten Teleskopen genau hinschauen und so mit etwas Glück ziemlich von Anfang an sehen, wie sich diese Sternexplosion entwickelt. Das wiederum ermöglicht es den Astronomen, ihr Verständnis solcher Sternexplosionen, mit denen massereiche Sterne ihr Leben beenden, auf die Probe zu stellen. Und das wiederum bringt uns zum Ausgangspunkt zurück: Einsteins relativistische Effekte nicht als Selbstzweck, sondern als Werkzeuge, um etwas über das Universum herauszufinden, in dem wir leben.

Herzlichen 100sten Geburtstag, allgemeine Relativitätstheorie!


[Mit Dank an Kai Noeske, über dessen Facebook-Timeline ich auf diese Meldung aufmerksam wurde.]

 

 

Markus Pössel

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

1 Kommentar

  1. “Bei dieser Gelegenheit dürften alle, die entsprechende Daten haben könnten, in ihren Archivaufnahmen wühlen – vielleicht hat ja doch jemand 1995 aufgenommen, was da passiert ist?”

    Das erste Bild könnte laut Paper zwischen 1994 und 2004 erscheinen sein – ein langer Zeitraum, nur für wie lange war es sichtbar? Allzuviel Hoffnung machen Treu et al. ja nicht, schon im Abstract heißt es:

    “The past image would have been too faint to be detected in archival images.”

    Naja, vielleicht findet sich ja doch noch was – und 2016 wird wirklich spannend.