Gravitationslinse mit Supernova

Position der Supernova und vergrößerte Ansichten der Gravitationslinse und der vergrößerten und aufgespaltenen Abbilder der Supernova. (Foto: Joel Johansson)

Die Explosion eines Weißen Zwergs ist schon per se ein beeindruckendes kosmisches Phänomen. Noch spektakulärer aber wird es, wenn das gleißende Licht einer solchen Typ 1a-Supernova durch den sogenannten Gravitationslinseneffekt verstärkt wird: Eine große Masse im Vordergrund verzerrt und vergrößert dabei die Lichtquelle. Diese extrem seltene Kombination haben Astronomen nun erstmals am Himmel beobachtet. Sie liefert wertvolle Informationen über den Gravitationslinseneffekt, aber auch zur kosmischen Expansion.

Supernovae gehören zu den hellsten Ereignissen im Universum. Eine solche Sternexplosion kann für kurze Zeit heller strahlen als eine ganze Galaxie, was sie selbst über Milliarden Lichtjahre Entfernung sichtbar macht. Eine Besonderheit unter ihnen sind die Supernovae des Typs 1a, Explosionen eines Weißen Zwergs in einem Doppelsternsystem. Denn bei diesen Supernovae sind Helligkeit und spektrale Entwicklung der abgegebenen Strahlung immer gleich. Das ermöglicht es Astronomen, die Entfernung solcher Sternexplosionen sehr genau zu bestimmen. Sie gelten deshalb als astronomische "Standardkerzen" und wichtige Helfer bei der Vermessung des Kosmos. Durch sie lässt sich beispielsweise die Hubble-Konstante und damit das Tempo der kosmischen Expansion ermitteln. Das ultimative Werkzeug für die kosmologische Entfernungsmessung wäre es jedoch, wenn eine solche Sternexplosion bekannter Helligkeit mit einer zweiten "Messlatte" kombiniert wäre: einer Gravitationslinse. Bei diesem schon von Albert Einstein vorhergesagten Phänomen durchstrahlt das Licht einer fernen Quelle eine große Massenansammlung im Vordergrund – beispielsweise eine massereiche Galaxie. Durch die Schwerkraft dieser Galaxie wird das Licht gebeugt und verstärkt, meist entstehen sogar mehrere Abbilder der fernen Lichtquelle. Dies ermöglicht eine noch genauere Vermessung des Kosmos.

Kosmischer Glücksfall

Doch ein solches Zusammentreffen von Supernova und Gravitationslinse ist ein kosmischer Glücksfall und entsprechend rar. Bisher haben Astronomen nur wenige solcherart verstärkte Sternexplosionen entdeckt – und keine einzige davon war eine Supernova vom Typ 1a. Bis jetzt. Denn nun haben Ariel Goobar von der Universität Stockholm und seine Kollegen genau diese Stecknadel im kosmischen Heuhaufen gefunden: eine Typ 1a-Supernova, die von einer Gravitationslinse verstärkt wird. Dies gelang ihnen mit Hilfe der automatischen Teleskope des Palomar Observatoriums in Kalifornien. Deren Weitwinkeloptiken scannen jede Nacht den Himmel nach Sternexplosionen und anderen kurzlebigen Ereignissen ab.

In Aufnahmen vom 5. September 2016 stießen die Astronomen auf eine Sternexplosion, die auf den ersten Blick unauffällig erschien. Doch Spektralanalysen und nähere Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop enthüllten, dass es sich um eine rund vier Milliarden Lichtjahre entfernte Supernova vom Typ 1a handelt, die von einer schweren Galaxie in rund zwei Milliarden Lichtjahren Entfernung verzerrt wird. Durch den Gravitationslinsen-Effekt wird die iPTF16geu getaufte Supernova in vier Abbilder aufgespalten. Für die Astronomen ist sie damit das optimale Werkzeug, um kosmische Entfernungen und die Expansionsrate zu ermitteln. "Zum ersten Mal eine vergrößerte Standardkerze mit multiplen Abbildern zu entdecken, ist ein großer Durchbruch", sagt Goobar.

Die Entdeckung solcher verstärkten Supernovae vom Typ 1a trägt dazu bei, das Phänomen der Gravitationslinsen und ihre Wirkung künftig besser zu verstehen, aber sie helfen auch bei der Vermessung des Kosmos: "Diese kosmischen Linsen ermöglichen es uns, die Struktur der Materie – sowohl der sichtbaren wie der Dunklen – in sonst nicht greifbaren Größenordnungen zu vermessen", erklärt Goobar. Die Astronomen hoffen zudem, dass ihr Fund dazu beiträgt, die rätselhafte Diskrepanz bei den bisher gemessenen Werten für die Hubble-Konstante zu klären. Daten auf Basis der kosmischen Hintergrundstrahlung einerseits und Messungen an Supernovae, veränderlichen Sternen und Gravitationslinsen andererseits kommen dafür bisher auf voneinander abweichende Werte. Das Problem: Die Hubble-Konstante bildet eine wichtige Basis für unser kosmologisches und auch physikalisches Standardmodell. Sie genau zu kennen und zu verstehen, woher diese Abweichungen kommen, ist daher entscheidend. Genauere Messungen könnten klarstellen, ob es sich bei den Diskrepanzen nur um statistische Schwankungen handelt oder ob vielleicht noch unbekannte physikalische Phänomene dahinterstecken.

Die Forscher versuchen nun, mit Hilfe der automatisierten Himmelsdurchmusterung weitere Fälle solcher von Linsen verzerrten Typ1a-Supernovae zu finden – unter anderem, indem sie die gewaltigen Datenmengen der Teleskope mit speziellen Suchprogrammen durchforsten. "Wir vermuten, dass jeweils eine von 50.000 detektierten Sternexplosionen eine solche verzerrte Supernova vom Typ 1a ist", sagt Koautor Peter Nugent vom Lawrence Berkeley National Laboratory.

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