Gravitationslinsen in der seltsamen Form eines Fragezeichens enthüllen den Beginn einer galaktischen Kollision

Vor mehr als 8 Milliarden Jahren begann eine Kollision zwischen zwei Galaxien. Dieses Ereignis wäre unbemerkt geblieben, hätte nicht das James-Webb-Teleskop vor kurzem eine Gravitationslinse beobachtet, die ebenfalls die seltsame Form eines Fragezeichens hat.

Gravitationslinse
Gravitationslinseneffekte, beobachtet vom James Webb Space Telescope. Bilder von zwei Galaxien im fernen Universum wurden verstärkt, verzerrt und mehrfach reproduziert. Credits: NASA, ESA, CSA, STScI, V. Estrada-Carpenter (Saint Mary's University).

Vergrößern, verstärken, verzerren. Diese drei Verben fassen das Phänomen der Gravitationslinsenbildung zusammen. In früheren Artikeln hatten wir Gelegenheit, das Phänomen der Gravitationslinsenbildung in neuen Beobachtungen von Weltraumteleskopen, insbesondere Hubble und James Webb, zu beschreiben.

Wir kommen auf dieses Phänomen zurück, weil die jüngste, von James Webb beobachtete Linse durch ihr Aussehen, das der Form eines Fragezeichens ähnelt, verblüfft.

Wie eine Gravitationslinse funktioniert

Kurz gesagt, damit ein Gravitationslinsenphänomen auftritt und leicht zu beobachten ist, braucht es ein sehr massereiches Himmelsobjekt, zum Beispiel einen ganzen Galaxienhaufen. Wir nennen dieses Objekt das Vordergrundobjekt.

Da dieses Objekt weit von der Erde entfernt ist, kann es auch als punktförmig erscheinen. Als Nächstes benötigen wir ein oder mehrere astronomische Objekte, die weiter entfernt und hinter dem Vordergrundobjekt ausgerichtet sind. Wir werden sie Hintergrundobjekte nennen.

Gravitationslinsen sind ein Phänomen, das von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird, wonach der Weg des Lichts von der Verformung der Raumzeit durch Himmelskörper abhängt.

Auf seinem Weg zur Erde durchquert das Licht dieser Hintergrundobjekte einen Bereich, in dem der Raum durch die Schwerkraft des Vordergrundobjekts verzerrt wurde. Beim Durchqueren dieses verzerrten Bereichs wird das Bild der Hintergrundobjekte abgelenkt. Obwohl sie hinter dem Vordergrund verborgen sind, werden sie sichtbar.

Darüber hinaus wird sein Bild verzerrt und bei bestimmten Ausrichtungen mehrfach um das Vordergrundobjekt herum reproduziert. Schließlich wird ihre Helligkeit verstärkt. Wenn sie so weit entfernt sind, dass sie unsichtbar sind, werden sie dank der Gravitationslinse deutlich sichtbar.

Die kürzlich von der James-Webb-Sonde beobachtete Linse

Die jüngste Gravitationslinse, die vom James Webb beobachtet wurde, ist zum einen deshalb besonders , weil sie zuvor vom Hubble-Teleskop beobachtet wurde, was einen Vergleich ermöglicht (siehe Bild unten), und zum anderen wegen derungewöhnlichen Fragezeichenform, in der das Licht der Hintergrundobjekte verzerrt wurde.

Linse
Vergleich zwischen der vom Hubble-Teleskop im Sichtbaren beobachteten Linse und der gleichen Linse, die vom James-Webb-Teleskop im Infraroten beobachtet wird. Die rote Galaxie im Ausschnitt und ihre Fragezeichen-Spur sind nur im Infraroten zu sehen. Credits: NASA, ESA, CSA, STScI, V. Estrada-Carpenter (Saint Mary's University) & Hubble

Das massereiche Vordergrundobjekt in dieser Linse heißt MACS-J0417.5-1154 und ist ein Galaxienhaufen, eine Struktur, die aus Tausenden von gravitativ gebundenen Galaxien besteht. Das Licht aus diesem Haufen hat fast 8 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt, um die Erde zu erreichen.

Gravitationslinseneffekte sind ein sehr häufiges Phänomen, von dem nur das James-Webb-Teleskop viele beobachtet hat.

Bei den Hintergrundobjekten handelt es sich um zwei Galaxien: eine Spiralgalaxie von vorne gesehen und eine staubreiche rote Galaxie von der Seite gesehen. Das Bild der beiden Galaxien wurde durch den Linseneffekt verstärkt. Da die beiden Galaxien noch weiter entfernt sind als MACS-J0417.5-1154, nämlich mehr als 8 Milliarden Lichtjahre, wären sie ohne den Linseneffekt wahrscheinlich extrem schwach und unsichtbar.

Das Bild des Linseneffekts wurde mehrmals um das Objekt im Vordergrund herum reproduziert. Außerdem wurde das Bild der roten Galaxie so verzerrt, dass eine Art Lichtspur entstand, die genau die Form eines Fragezeichens hatte.

Die Nützlichkeit von Gravitationslinsen

Die beiden Galaxien, die dank der Vergrößerung und Verstärkung durch das Objektiv sichtbar und damit studierbar sind, sind sehr interessant. Ihre relative Position legt nahe, dass sie sich in der Anfangsphase einer Kollision befinden. Diese Anfangsphase hat bereits einen intensiven Sternentstehungsprozess ausgelöst, ein Phänomen, das bereits bei anderen galaktischen Kollisionen beobachtet wurde.

Das Phänomen der Gravitationslinsen ist nicht nur interessant, sondern auch äußerst nützlich für die Astronomen: In diesem speziellen Fall hat es die Untersuchung des Entstehungsprozesses ermöglicht, der vor mehr als 8 Milliarden Jahren stattfand, in Galaxien, die so weit entfernt und schwach beleuchtet waren, dass sie sonst unsichtbar geblieben wären.

Quellenhinweis:

"When, where, and how star formation happens in a galaxy pair at cosmic noon using CANUCS JWST/NIRISS grism spectroscopy", Vicente Estrada-Carpenter et al. 2024, MNRAS.