Geisterbilder am Himmel

Russell stellte sich dann einen Planeten vor, der den Weißen Zwerg so umrundet, dass dieser Sirius immer wieder einmal vollständig für hypothetische Planetenbewohner bedecken würde – ähnlich wie von der Erde aus betrachtet mitunter der Mond passgenau die Sonne verfinstert. Dabei käme es aber nicht zu einer totalen Sirius-Finsternis, denn dessen Licht würde im Schwerefeld des Weißen Zwergs so verbogen, dass es kurz vor der Bedeckung lichtverstärkt auf der einen und als zweiter Strahl auf der gegenüberliegenden Seite des Zwergsterns erscheinen müsste. Und wenn sich alle drei Himmelskörper auf einer Linie befänden, würde der Zwergstern von einem Kranz des radial um ihn gelenkten Sirius-Lichts umgeben sein. Das würde einer ringförmigen Sonnenfinsternis ähneln – allerdings leuchtet der Weiße Zwerg im Gegensatz zum beschatteten Mond auch selbst.

Russell illustrierte das mit Zeichnungen – „das Ergebnis einer ziemlich sorgfältigen Berechnung“ – und resümierte: „Unser hypothetischer Weltraumtourist wäre auf seinem Planeten an einem Ort, an dem die Allgemeine Relativitätstheorie nicht eine Sache der äußersten Verfeinerung von Theorie und Beobachtung ist. Sie wäre vielmehr nötig, um das spektakuläre Himmelsphänomen zu verstehen.“

Intergalaktische Vorhersage

In ganz anderen Größenordnungen dachte der Astronom Fritz Zwicky, der seit 1925 am California Institute of Technology forschte. Er stammte aus der Schweiz, wo er als Student 1919 an der Universität Zürich eine Gastvorlesung von Einstein über die Relativitätstheorie gehört hatte. Bereits im Januar 1937 verfasste Zwicky einen kurzen Artikel, „Nebulae as Gravitational Lenses“, den er einen Monat später im 51. Band der hochrenommierten Fachzeitschrift Physical Review publizierte. Darin argumentiert er, dass der bereits in der Überschrift genannte Gravitationslinsen-Effekt nicht nur real, sondern auch nachweisbar und von praktischer astronomischer Bedeutung sein könnte. Dieser geradezu prophetische Text war der empirischen Forschung ein halbes Jahrhundert voraus. Er machte deutlich, dass mit Gravitationslinsen als kosmischem Phänomen gerechnet werden sollte und dass sie sogar als wissenschaftliches Werkzeug nützlich seien.

Wie Zwicky in seinem Artikel eingangs bemerkte, hatte auch ihn indirekt Rudi Mandl angeregt – der Amateurwissenschaftler, der 1936 Albert Einstein besucht und zu einer Publikation über Gravitationslinsen gedrängt hatte: „Im letzten Sommer erwähnte Dr. V. K. Zworykin (dem die Idee von Mr. Mandl vorgeschlagen wurde) mir gegenüber die Möglichkeit einer Bilderzeugung durch die Wirkung von Gravitationsfeldern.“ (Der russische Ingenieur und Physiker Vladimir Zworykin, ebenfalls in die USA emigriert, ist einer der Erfinder des Fernsehens.)

Daraufhin hatte Zwicky einige Rechnungen vorgenommen, die zeigten, „dass extragalaktische Nebel eine viel bessere Chance für die Beobachtung von Gravitationslinsen-Effekten bieten als Sterne“. Mit den Nebeln meinte Zwicky andere Galaxien aus Milliarden Sternen vergleichbar der Milchstraße. Dass sich diese schon zwei Jahrhunderte früher mit Teleskopen beobachteten Nebel nicht innerhalb der Milchstraße befinden, war erst um 1924 nachgewiesen worden. Die gigantischen Sterneninseln sind Millionen Lichtjahre voneinander entfernt, aber nicht gleichmäßig im Weltraum verteilt, sondern sie bilden Gruppen und größere Haufen, wie schon Charles Messier und William Herschel im späten 18. Jahrhundert bemerkt hatten.

Unsichtbare Masse im Coma-Haufen

Zwicky hatte den Coma-Haufen im Sternbild Haar der Berenike studiert und war aufgrund der Bewegung dieser Galaxien 1933 zum Ergebnis gekommen, dass der Haufen bis zu 400 Mal mehr unsichtbare Masse enthalten müsse, als es die Sterne und leuchtenden Gaswolken erschließen lassen. Er sprach von Dunkler Materie – ein Begriff, der heute noch gebräuchlich ist und eine der großen offenen Fragen der Physik markiert: Rund 80 Prozent der gravitativ wirkenden Masse im All ist unsichtbar. Möglicherweise besteht sie aus bislang unbekannten Elementarteilchen, die elektromagnetisch nicht interagieren.

Zwicky argumentierte, dass die massereichen Galaxien Licht um maximal eine halbe Bogenminute ablenken könnten. Außerdem seien die Nebel viel ausgedehnter als Sterne und also aus wesentlich größeren Entfernungen detektierbar. Deshalb könnten Hintergrundobjekte beobachtbar sein in Form von Lichtringen mit einer um das Hundertfache verstärkten Helligkeit. Das würde nicht nur einen weiteren Test der Allgemeinen Relativitätstheorie ermöglichen, sondern auch Nebel sichtbar machen – „in größeren Entfernungen, als sie selbst mit den besten Teleskopen zugänglich“ seien. Eine solche Erweiterung des Gesichtsfelds könnte „neues Licht werfen auf zahlreiche kosmologische Probleme“. Außerdem wäre der Gravitationslinsen-Effekt bei der Massenbestimmung der Galaxienhaufen hilfreich, zumal inzwischen auch im Virgo-Haufen ein großer Anteil an Dunkler Materie gemessen worden war.

In einem zweiten halbseitigen Artikel vom März 1937, der einen Monat später wiederum in Physical Review erschien, gab Zwicky das Ergebnis seiner Abschätzung anhand der Zahl von Galaxien auf langbelichteten Himmelsaufnahmen bekannt: „Die Wahrscheinlichkeit, dass Nebel, die als Gravitationslinse wirken, gefunden werden, ist praktisch eine Sicherheit.“

Er merkte auch an, Gustaf Stromberg vom Mount Wilson Observatory habe ihn informiert, dass die Idee von Sternen als Gravitationslinsen „eine wirklich alte“ sei. Bereits der Direktor des Yerkes Observatory, Edwin B. Frost, habe 1923 über ein Suchprogramm bei Sternen nachgedacht. Doch dieser hatte nie etwas dazu publiziert.

Prognose mit Neutronensternen

Ebenfalls 1937 erschien eine Arbeit des russischen Physikers Gavriil Adiranovich Tikhov, und zwar auf Französisch. Er zitierte die Artikel von Link, Einstein und Zwicky, merkte aber an, dass ihm „die Idee, dieses Problem zu untersuchen, bereits im Sommer 1935“ gekommen sei und er dazu nur Orest Chwolsons Notiz von 1924 in den Astronomischen Nachrichten gefunden habe – dieser Physiker hatte den Effekt erstmals in einer Fachzeitschrift richtig beschrieben. Tikhov lebte in Sankt Petersburg (beziehungsweise Leningrad) in Chwolsons Nachbarschaft – der dort 1934 gestorben war – und verhalf dessen Notiz erst zur Beachtung. 1938 publizierte Tikhov eine zweite Arbeit. Kurioserweise waren nur die beiden letzten der 19 Seiten im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie formuliert, geschrieben mit seinem Studenten Alexander Fedorovich Bogorodskyi (der 1962 noch einen eigenen Artikel über Gravitationslinsen veröffentlichte). Die Rechnungen zuvor hatte Tikhov in der Newton’schen Näherung mit dem halben Betrag der Lichtablenkung angefertigt, selbst die numerischen Beispiele.

Auch Fritz Zwicky gab nicht auf. Im Dezember 1940 hatte er in einem Kurzvortrag auf einem Meeting der American Physical Society am Caltech in Pasadena noch eine weitere Hypothese vorgeschlagen, deren Zusammenfassung im Januar darauf in Physical Review erschien: Besonders kompakte Einzelobjekte – noch viel dichter als die Weißen Zwerge, die Henry Norris Russell diskutiert hatte – wirken ebenfalls als Gravitationslinsen. Zwicky dachte dabei an Neutronensterne: extrem verdichtete Kerne ausgebrannter Riesensterne, die kollabiert sind, bevor ihre Außenschichten als Supernova explodierten. Ihre Zahl allein in der Milchstraße schätzte er auf eine Million. Er schlug vor, nach Lichtringen zu suchen, die vom gravitativ aufgefächerten Licht eines genau hinter einem Neutronenstern befindlichen Sterns stammen. „Innerhalb dieses Rings erscheint ein Miniaturbild aller nicht verdeckten leuchtenden Objekte im Universum“, meinte er.

Dass Neutronensterne wirklich in großer Zahl existieren, begannen Astronomen bald nach der ersten Entdeckung einer solchen nur wenige Dutzend Kilometer messenden Sternruine 1967 zu begreifen. Bereits 1933 hatte Zwicky zusammen mit Walter Baade vom Mount Wilson Observatory vorgeschlagen, dass es diese Schwerkraftungetüme mit mehr als dem 1,4-Fachen der Sonnenmasse geben könnte. Auch hier war er seiner Zeit um Jahrzehnte voraus.

Der fast verspeiste Hut

Erst 1957 waren Gravitationslinsen wieder ein Thema – und zwar erneut von Fritz Zwicky, der in seinem Buch „Morphological Astronomy“ darüber schrieb. Auf mehreren Seiten fasste er seine früheren Studien zusammen und betonte noch einmal, dass Gravitationslinsen-Effekte bei Galaxien „sicher“ beobachtbar seien, falls die Allgemeine Relativitätstheorie stimme und das intergalaktische Medium nicht zu viel Licht verschlucke. Er gab auch eine Abschätzung der Lichtablenkungswinkel: Sie könnten 0,4 bis 40 Bogensekunden betragen bei 1000 bis 10.000 Lichtjahren großen Galaxien mit 10 bis 100 Milliarden Sonnenmassen in 5 Milliarden bis 50 Millionen Lichtjahren Distanz.

Ein Teil dieser Annahmen war unrealistisch. Inzwischen haben Astronomen jedoch durch Gravitationslinsen verursachte Ablenkungswinkel in der Größenordnung von einer Bogensekunde gemessen. (Das entspricht dem Ablenkungswinkel naher Sterne am Sonnenrand.) Auch hat Zwicky richtig vorausgesagt, dass die gelinsten Bilder der Hintergrundobjekte rötlicher als die Linse erscheinen, weil die Rotverschiebung ihres Spektrums aufgrund der Ausdehnung des Weltraums größer ist. Die modernen Observatorien, denen er Suchprojekte empfahl, haben das mittlerweile bestätigt.

In den 1950er-Jahren dachte Zwicky sogar, er hätte ein Gravitationslinsen-System entdeckt, und berichtete darüber auf einer wissenschaftlichen Konferenz. Guido Munch, einer seiner Kollegen am Caltech, meinte daraufhin, er würde seinen Hut aufessen, falls das wirklich ein Gravitationslinsen-Effekt sei. Der kalifornische Astronom Wallace L. W. Sargent, der diese Anekdote überliefert hat, fand die Fotoplatte, nachdem Zwicky 1974 gestorben war. Sargent hoffte, Munchs Speiseplan zu ergänzen – doch das vermeintliche Linsensystem stellte sich bloß als Defekt in der Platte heraus.

Charles Darwins Fehler

Auch der russische Astronom Aleksandr Aleksandrovich Mikhailov erwähnte den Gravitationslinsen-Effekt und den dabei entstehenden Lichtring. Er betonte, dass dieser „von dem ältesten lebenden sowjetischen Astronomen, Professor Tikhov, theoretisch erforscht worden“ sei. Mikhailovs Anmerkung steht am Ende seines Überblicksartikels über die bis dahin erfolgten Sonnenfinsternis-Messungen der Lichtablenkung am Sonnenrand. Der Text mit verbesserten eigenen Berechnungen erschien 1959 in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, zitiert aber die von Tikhov selbst erwähnten früheren Arbeiten nicht.

Im selben Jahr verfasste der sowjetische Astronom Grigorii M. Idlis eine Abhandlung über gravitativ verzerrte Bilder: den erst Jahrzehnte später gemessenen sogenannten Schwachen Gravitationslinsen-Effekt (weak lensing). Ebenfalls 1959 berechnete in Cambridge der Physiker Charles Darwin – ein Enkel des berühmten gleichnamigen Evolutionsbiologen – die Positionen und Lichtverstärkungen von Bildern eines Sterns als Folge der Linsenwirkung einer Punktmasse. Er nannte sie „ghosts“. Dabei machte er einen Rechenfehler, den 1963 Alfred W. K. Metzner korrigierte. Der Physiker am King’s College in London betonte erneut die Irrelevanz dieser Erscheinungen für astronomische Beobachtungen.

In den 1960er-Jahren wuchs das Interesse an Gravitationslinsen, ebenso die Zahl der Publikationen dazu – und mithin auch der untersuchten Quellen und Phänomene. Die Wissenschaftler klärten dabei viele physikalische Zusammenhänge, bevor jemals ein Gravitationslinsen-Effekt beobachtet wurde. Man sprach sogar von einer Schwerkraft-Optometrie – in Analogie zur geometrischen Optik.

Was wäre, wenn nicht ein Stern als lichtspaltende Gravitationslinse wirken würde, sondern ein viel massereicheres Objekt – beispielsweise ein Schwarzes Loch? So wurde in der Nachfolge von Russell und Zwicky überlegt, und als Hintergrund-Lichtquellen spekulierte man über Supernovae. Manche Theoretiker – ab 1965 zuerst der aus Ungarn in die USA ausgewanderte Physiker Jeno M. Barnothy – wandten sich auch realistischeren Möglichkeiten zu: den ultrahellen Zentren ferner Urgalaxien, den Quasaren, die damals gerade entdeckt worden waren. Die Zukunft sollte ihnen Recht geben, obschon manche Astrophysiker wie Barnothy dabei über das Ziel hinausschossen und irrtümlich die enorme Leuchtkraft der Quasare selbst als Gravitationslinsen-Effekt erklären wollten.

Die wilden 60er-Jahre

Der US-amerikanische Physiker Sidney Liebes untersuchte Gravitationslinsen 1963 auf sehr unterschiedlichen Größenskalen: Sterne in der Milchstraße und in der benachbarten Andromeda-Galaxie, unsichtbare Sterne, Kugelsternhaufen, andere Galaxien und sogar Effekte mit Gravitationswellen. Inspiriert hatten ihn verzerrte Fenster in den alten Gemäuern an seinem Campus, der Princeton University in New Jersey, wie er später einmal Virginia Trimble erzählt hat.

Die Astronomin von der University of California in Irvine zeichnete in einem historischen Übersichtsartikel 2001 auch den Paradigmenwechsel beim Gravitationslinsen-Effekt nach: weg vom Prüfstein der Relativitätstheorie hin zu einem astronomischen Werkzeug, mit dem man etwas über die Gravitationslinse oder über das Hintergrundobjekt lernen kann.

In Moskau studierten Physiker ebenfalls die Konsequenzen der Relativitätstheorie. Yuri Klimov veröffentlichte 1963 eine detaillierte Arbeit über Galaxien als Gravitationslinsen und die Größe ihrer Einstein-Ringe. Ein Jahr darauf erschien von Yakov B. Zel’dovich die erste Untersuchung zu Linsen-Effekten auf kosmologischen Skalen. Und Alexey V. Byalko schrieb 1967 – die Publikation dauerte aber bis 1969 – die vermutlich erste Studie zum (damals noch nicht so genannten) Mikrolinsen-Effekt. Bei diesem kann nur die Helligkeitszunahme, nicht aber die Lichtaufspaltung gemessen werden. Dadurch verraten sich unsichtbare Linsen, zum Beispiel Planeten bei anderen Sternen. Seit 2003 haben Astronomen über 100 davon mit dieser Methode aufgespürt.

Pionierarbeiten publizierte auch der norwegische Astrophysiker Sjur Refsdal ab 1964, damals noch Student an der Universität Oslo und ab 1970 Professor an der Hamburger Sternwarte. Seinen Abschätzungen zufolge sollten Gravitationslinsen-Effekte häufig sein – man müsse sie nur finden. Außerdem erkannte er, wie man mithilfe von Helligkeitsvariationen in den Hintergrundquellen geometrische Entfernungsmessungen über Milliarden Lichtjahre hinweg vornehmen kann, ganz ohne die üblichen problematischen Voraussetzungen und Unsicherheiten.

Diese visionäre Idee einer absoluten Distanzskala wenden Kosmologen heute an, um die Ausdehnungsrate des Weltraums zu bestimmen, genau wie es Refsdal vorgeschlagen hat. Die besten Messungen weisen inzwischen Unsicherheiten von nur noch wenigen Prozent auf. Damit wird es möglich, die Größe, Dichte und Dynamik des Universums insgesamt zu erforschen – eine wahrhaft gigantische Erfolgsgeschichte von galaktischen Täuschungen am Himmel bis zu sehr weitreichenden kosmischen Einsichten.