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Ein besonderes Einsteinkreuz und die Dunkle Materie
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität zu Köln
astronews.com
29. September 2025
Mithilfe mehrerer Teleskope wurde jetzt ein ganz besonderes
Einsteinkreuz entdeckt: Durch den Gravitationslinseneffekt sind dabei nicht nur
vier Abbilder einer Galaxie im jungen Universum zu sehen, sondern fünf. Die
Analyse der Geometrie der beteiligten Objekte zeigte nun, dass dieses besondere
Einsteinkreuz nur mit einem gewaltigen Halo aus Dunkler Materie erklärt werden
kann.
Die Aufnahmen von NOEMA zeigen ein
fünffaches Abbild der 11,6 Milliarden Lichtjahre
entfernten Galaxie HerS-3, die ein nahezu
perfektes Kreuz bilden. Die für den
Gravitationslinseneffekt verantwortlichen
Galaxien sind mit "G" gekennzeichtnet.
Bild: Cox et al. (2025),
ApJ, 991, 53
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Zum Gravitationslinseneffekt kommt es, wenn die Masse einer sehr
massereichen Galaxie (oder einer Gruppe von Galaxien) das Licht von noch weiter
entfernten Objekten ablenkt. Für uns sieht es dann so aus, als würden diese
fernen Objekte verzerrt, vervielfacht oder als Bögen und Ringe am Himmel
erscheinen. Daraus resultiert eine optische Vergrößerung der Objekte, die es
ermöglicht, Galaxien im frühen Universum detailliert zu untersuchen. Eine
Spezialform des Gravitationslinseneffekts stellt das Einsteinkreuz, dessen
Entstehung eine besondere Geometrie der beteiligten Objekte erfordert.
Mithilfe des Gravitationslinseneffektes lässt sich auch die Dunkle Materie
erforschen, da sie auch einen Teil der Masse darstellt, die für die
Lichtablenkung verantwortlich ist. Für die jetzt vorgestellte Studie wurden
Beobachtungen des Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in
Frankreich, des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in
Chile, des Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in den USA und des
Hubble-Weltraumteleskops (HST) genutzt. Die Aufnahmen von NOEMA zeigen dabei ein
fünffaches Abbild der 11,6 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie HerS-3, die
ein nahezu perfektes Kreuz bilden. Während ein Einsteinkreuz an sich bereits ein
seltenes Phänomen ist, ist es in diesem Fall durch das helle fünfte Abbild
besonders außergewöhnlich.
Die fünf Bilder von HerS-3 zeigen alle dasselbe Muster molekularer
Emissionslinien, was darauf hinweist, dass es sich um Mehrfachabbildungen
derselben Galaxie handelt. Die Beobachtungen durch das ALMA-Teleskop enthüllten
die detaillierten Strukturen der einzelnen Bilder. Die NOEMA- und ALMA-Daten
wurden durch Beobachtungen des Very Large Arrays ergänzt. Diese Daten
wurden von der Doktorandin Prachi Prajapati in der Gruppe von Prof. Dr. Dominik
Riechers am Institut für Astrophysik der Universität zu Köln analysiert, und
zeigen die fünf Bilder der Galaxie in kaltem molekularem Gas, welches für die
Sternentstehung sehr wichtig ist. So konnte mithilfe von HerS-3 erstmals ein
Einsteinkreuz im Bereich der Submillimeter- und Radiowellenlängen nachgewiesen
werden.
Das Licht von HerS-3 wird von vier massereichen Vordergrundgalaxien gebeugt.
Diese bilden den Kern einer größeren Gruppe von mindestens zehn weiteren
Galaxien, die 7,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind und mit dem
Hubble-Weltraumteleskop im nahen Infrarot identifiziert wurden. Um die
Eigenschaften der fernen Galaxie HerS-3 zu bestimmen und die Galaxiengruppe im
Vordergrund zu untersuchen, simulierten die Forschenden die durch Schwerkraft
verursachte Ablenkung des Galaxienlichts. Es zeigte sich, dass die genaue
Anordnung der fünf Bilder des Einsteinkreuzes in der Simulation nicht
reproduziert werden können, wenn nur die vier sichtbaren massereichen Galaxien
berücksichtigt werden, die sich in der Nähe von HerS-3 und im Zentrum der
Galaxiengruppe befinden.
Die Tatsache, dass es im nahen Umfeld der vorderen Galaxiengruppe keine
andere sichtbare Galaxie in derselben Entfernung gibt, deutet daher auf die
Existenz einer großen, unsichtbaren Komponente hin: einer Konzentration von
Dunkler Materie, die mit der Galaxiengruppe verbunden ist. Nur durch Hinzufügen
dieser massereichen Komponente, die zwangsläufig im Massenschwerpunkt der Gruppe
liegt, stimmt die Rekonstruktion genau mit den Eigenschaften der fünf Bilder
überein. Die geschätzte Masse des Halos der Dunklen Materie beträgt einige
Trillionen Sonnenmassen.
Das HerS-3-System mit seinem fünften zentralen Bild in Form des
Einsteinkreuzes ermöglicht es, die komplexe Struktur einer Galaxie in der
aktivsten Phase der Entwicklung des Universums zu betrachten. Die Untersuchung
solcher Systeme könnte dazu beitragen, die Eigenschaften der Dunklen Materie
besser zu untersuchen und zu verstehen, wie sie die frühesten Stadien der
kosmischen Evolution beeinflusst hat. Neben Forschenden der Universität zu Köln
waren an der Publikation auch Wissenschaftler*innen des Institut d’Astrophysique
der Pariser Sorbonne Université sowie des Institut de radioastronomie
millimétrique (Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich, IRAM)
beteiligt.
Die Ergebnisse wurden
in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
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