Ein Einstein-Ring ist ein extrem seltener Typ eines Gravitationslinsenobjekts, das erstmals in Albert Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Gravitationslinsen entstehen, wenn die enorme Schwerkraft eines massereichen Vordergrundobjekts, wie etwa eines Galaxienhaufens oder eines Schwarzen Lochs, die Raumzeit um dieses Objekt herum krümmt. Licht, das von weiter entfernten Objekten, wie Galaxien oder Supernovas, ausgestrahlt wird und diese gekrümmte Raumzeit durchquert, erscheint aus unserer Perspektive von der Erde aus ebenfalls gekrümmt.
Dieser Effekt verstärkt außerdem das Licht des Objekts, das durch die Gravitationslinse erfasst wird, wie eine Lupe, wodurch Astronomen weit entfernte Objekte detaillierter untersuchen können, als dies normalerweise möglich ist. Die meisten Objekte, die durch Gravitationslinsen erfasst werden, bilden Bögen oder Teilringe um das Vordergrundobjekt. Ein echter Einstein-Ring hingegen bildet einen vollständigen Kreis um ein näher gelegenes Objekt. Dies ist nur möglich, wenn das entfernte Objekt, das Vordergrundobjekt und der Beobachter perfekt ausgerichtet sind.
In einer in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlichten Studie entdeckten die Forscher im Rahmen der COSMOS-Web-Umfrage, einer detaillierten Karte von mehr als 500.000 Galaxien, die während 200 Stunden kontinuierlicher Beobachtungen durch JWST erstellt wurde, einen neuen, unheimlich kreisförmigen Einstein-Ring namens JWST-ER1.
Der vollständige Einsteinring, JWST-ER1, ist das am weitesten entfernte, durch Gravitation wirkende Objekt, das je entdeckt wurde. NASA/James Webb Space Telescope/van Dokkum et al.
JWST-ER1 besteht aus zwei Teilen: JWST-ER1g, einer kompakten Galaxie, die als Linsenobjekt im Vordergrund fungiert, und JWST-ER1r, Licht einer weiter entfernten Galaxie, die einen leuchtenden Ring bildet. JWST-ER1g ist etwa 17 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, JWST-ER1r weitere 4 Milliarden Lichtjahre. Laut BigThink.com war das bisher am weitesten entfernte Linsenobjekt etwa 14,7 Milliarden Lichtjahre entfernt. (Das Universum selbst ist zwar schätzungsweise 13,7 Milliarden Jahre alt, doch aufgrund seiner ständigen Ausdehnung muss das Licht der ältesten Objekte viel weitere Strecken zurücklegen, um unsere Teleskope zu erreichen.)
Mithilfe des gesamten Rings von JWST-ER1 berechneten die Forscher die Masse der Galaxie, indem sie ermittelten, wie stark sie die Raumzeit um sie herum krümmt. Dabei ergab sich, dass die Galaxie eine Masse hat, die etwa 650 Milliarden Sonnen entspricht, was sie für ihre Größe ungewöhnlich dicht macht. Ein Teil dieser zusätzlichen Masse könnte durch dunkle Materie erklärt werden, jenen mysteriösen, unsichtbaren Stoff, der etwa 85 % aller Materie im Universum ausmacht. Dennoch errechneten die Forscher, dass es unwahrscheinlich ist, dass genügend Sterne vorhanden sind, um die restliche Masse der Galaxie zu erklären.
„Zur Erklärung der Linseneffekte ist zusätzliche Masse erforderlich“, aber es sei noch nicht klar, um welche Masse es sich dabei handele, schreiben die Forscher in ihrem Artikel.
Eine Sammlung unvollständiger und nahezu perfekter Einsteinringe, fotografiert vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA. Um einen perfekten Kreis zu erhalten, müssen Hintergrundobjekt, Vordergrundobjekt und Beobachter perfekt ausgerichtet sein. NASA
Zuvor wurden bereits andere Galaxien entdeckt, die ebenso alt und dicht sind. Dies legt nahe, dass diese uralten Sternenfabriken etwas gemeinsam haben, das sie so massereich macht. Eine Erklärung ist, dass diese Galaxien viel mehr dunkle Materie enthalten als bisher angenommen. Eine andere Theorie besagt, dass sich in ihrem Inneren möglicherweise mehr Sterne geringer Masse verbergen als in jüngeren Galaxien. Um dies herauszufinden, bedarf es jedoch weiterer Forschung.
Dies ist nicht der erste echte Einsteinring, der vom JWST entdeckt wurde. Im September 2022 entdeckte ein Reddit-Nutzer einen perfekt kreisförmigen Lichtring der Galaxie JO418, die etwa 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt und um eine nähere Galaxie kreist. Das JWST nutzte Gravitationslinsen auch, um den am weitesten entfernten Stern aller Zeiten und eine der ältesten Galaxien im Universum einzufangen.
Dieser atemberaubende Halo entsteht durch das Licht einer weit entfernten Galaxie, das durch die gekrümmte Raumzeit einer anderen Galaxie wandert, die sich zwischen der entfernten Lichtquelle und der Erde befindet. Dieses Bild des James Webb-Weltraumteleskops aus dem Jahr 2022, das ein begeisterter Astronom auf Reddit erstellt hat, ist eines der besten Beispiele dieses ungewöhnlichen astronomischen Phänomens, das jemals festgehalten wurde.
Der Lichtring im neuen Bild stammt von der weit entfernten Galaxie SPT-S J041839-4751.8 (kurz JO418), die etwa 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist und damit eine der ältesten Galaxien im Universum ist. JO418 befindet sich direkt hinter einer anderen Galaxie – dem hellblauen Licht im Zentrum des Rings –, die so massereich ist, dass ihre Gravitationskraft die Raumzeit um sie herum krümmt. Wenn das Licht von JO418 die Vordergrundgalaxie erreicht, durchläuft es diese gekrümmte Raumzeit. Von der Erde aus sieht es so aus, als ob das Licht um die Galaxie gekrümmt wäre, doch die elektromagnetischen Wellen, die wir sehen, bewegten sich tatsächlich die ganze Zeit geradlinig.
Nahaufnahme des Einstein-Rings JO418. Spaceguy44
Dieser seltsame Effekt ähnelt der Lichtlenkung durch Glaslinsen. Wie bei Vergrößerungsgläsern lässt dieses Phänomen Licht von weit entfernten Galaxien viel näher erscheinen, als es tatsächlich ist. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Linse aus durch die Schwerkraft gekrümmter Raumzeit und nicht aus Glas besteht. Forscher nennen diesen seltsamen Effekt daher Gravitationslinseneffekt. Albert Einstein sagte den Gravitationslinseneffekt erstmals 1912 voraus, als er seine Relativitätstheorie entwickelte.
Der Reddit-Nutzer und Astronom im Aufbaustudium Spaceguy44 veröffentlichte am 23. August ein Bild des JOS18-Einsteinrings im Subreddit r/Astronomy. Der anonyme Astronom erstellte das Bild mithilfe öffentlich zugänglicher Daten des Mid-Infrared Imager (MIRI)-Instruments des James-Webb-Weltraumteleskops.
„Ohne die Schwerkraft könnten wir J0418 nicht sehen“, schrieb Spaceguy44 auf Reddit. „Ohne den Linseneffekt würde die Galaxie wahrscheinlich wie die meisten entfernten Galaxien aussehen: wie ein kleiner Lichtfleck.“
Ein nahezu perfekter Einstein-Ring aus der Galaxie JO418. Spaceguy44
Im Jahr 2020 entdeckten Forscher eine weit entfernte Galaxie, indem sie mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile eine partielle Gravitationslinsenwirkung feststellten. Sie berichteten über ihre Entdeckung in einem im selben Jahr in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikel.
Am 13. August veröffentlichte Spaceguy44 ein Bild von JO418, das Daten verwendete, die von Webbs NIRCam-Instrument gesammelt wurden. Das Originalbild hatte jedoch eine viel niedrigere Auflösung und der Lichtring war laut ScienceAlert weniger sichtbar.
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Das Hubble-Weltraumteleskop der NASA hat Bilder von mehreren anderen Einsteinringen aufgenommen, darunter einen, der aus dem gebeugten Licht eines Quasars entstanden ist. Keiner dieser Einsteinringe war jedoch so vollständig oder klar wie der auf dem Reddit-Bild.
Perfekt runde Einsteinringe sind extrem selten, da sowohl entfernte als auch nahe Galaxien perfekt auf den Beobachter ausgerichtet sein müssen. Dank besserer Sensoren am Webb-Teleskop dürften sie in Zukunft jedoch leichter zu erkennen sein.
Eine neue Analyse einer ungewöhnlich massereichen, aber kompakten Galaxie aus dem frühen Universum zeigt, dass dunkle Materie mit sich selbst interagiert.
JWST-ER1 entstand nur 3,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall und wurde erstmals im Oktober 2023 auf Bildern des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA entdeckt. Mehr als 17 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist JWST-ER1g das am weitesten entfernte Beispiel eines perfekten „Einstein-Rings“ – eines kontinuierlichen Lichtkreises um eine Galaxie, der durch die Beugung des Lichts einer weit entfernten, unsichtbaren Galaxie durch die raumkrümmende Masse von JWST-ER1 entsteht. Die Forschungsergebnisse wurden am 11. April 2024 online in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Die kosmische Fata Morgana ist nicht nur ein hübscher Anblick, der durch die glückliche Anordnung der Galaxien entsteht; sie bietet Physikern auch eine wertvolle Möglichkeit, die im Radius des Rings enthaltene Masse modellunabhängig zu messen.
Durch Berechnung der Raumzeitverzerrung durch JWST-ER1g kam das Team zu dem Schluss, dass die Galaxie etwa 650 Milliarden Sonnen wiegt und damit für ihre Größe ungewöhnlich dicht ist. Durch Subtraktion der sichtbaren Sternmasse von der geschätzten Gesamtmasse können die Physiker bestimmen, wie viel Dunkle Materie in der Galaxie steckt – die unsichtbare Substanz, die vermutlich mehr als 80 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht.
Die ungewöhnlich dichte Galaxie JWST-ER1 und ihr Einstein-Ring, aufgenommen vom James Webb Space Telescope im Jahr 2023. P. van Dokkum et al.
Trotz jahrzehntelanger Beobachtungen und einer Fülle indirekter Beweise konnte die schwer fassbare Substanz bisher nicht direkt nachgewiesen werden. In JWST-ER1g fand das Team heraus, dass dunkle Materie etwa die Hälfte des Massenunterschieds ausmacht und dass „zusätzliche Masse wahrscheinlich erforderlich ist, um den Linseneffekt zu erklären“, heißt es in einem 2023 veröffentlichten Artikel.
„Der Wert der Dunklen Materie scheint höher zu sein als erwartet“, sagte Hai-Bo Yu, Professor für Physik und Astronomie an der University of California, Riverside (UCR) und Co-Autor der neuen Studie. „Das ist rätselhaft.“
In der Studie vermuten Yu und seine Kollegen, dass die ungewöhnlich hohe Dichte von JWST-ER1g durch eine höhere Sternenpopulation als bisher angenommen erklärt werden könnte. Wie der leitende Studienautor Demao Kong von der University of California, Riverside, in derselben Stellungnahme jedoch anmerkte, könnte der Kompressionsmechanismus, durch den gewöhnliche Materie – also die Materie, aus der Gas und Sterne bestehen – im Dunklen-Materie-Halo von JWST-ER1g „kollabiert und kondensiert“, dazu führen, dass „mehr Dunkle Materie im gleichen Volumen zusammenkommt, was zu einer höheren Dichte führt“.
Der Dunkle-Materie-Halo, der im Zentrum der Galaxie am dichtesten ist, wirkt wie ein Gravitationsklebstoff, der rotierende Galaxien daran hindert, auseinanderzufliegen. Darüber hinaus stimmen Modelle, die eine bestimmte Art Dunkler Materie beinhalten, deren Teilchen miteinander interagieren, „sehr gut mit den JWST-ER1-Messungen überein“, so die neue Studie.
Die Spiegel des James Webb-Weltraumteleskops werden zusammengebaut. NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett
Wir wissen noch nicht, was Dunkle Materie wirklich ist. Beobachtungen deuten darauf hin, dass es sich um einen neuen Teilchentyp handelt, dessen Existenz nur aus seinen gravitativen Wechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie abgeleitet werden kann. Dunkle Materie könnte nur eine Teilchenart sein oder eine komplexe Ansammlung verschiedener Arten, wie bei gewöhnlicher Materie, die möglicherweise in Gegenwart zusätzlicher, bisher unbekannter Kräfte wirken, die nur in der Dunklen Materie vorhanden sind.
Im Dezember 2023 leitete Yu eine Simulation der Bildung von Strukturen mit selbstwechselwirkender Dunkler Materie und kam zu dem Schluss, dass solche Selbstwechselwirkungen die extrem dichten Halos aus Dunkler Materie in einigen Galaxien sowie die mysteriös niedrigen Dichten in anderen erklären könnten, die beide nicht durch die vorherrschende Theorie der „kalten Dunklen Materie“ erklärt werden.
Physiker hoffen, dass das JWST mehr Licht auf die Dunkle Materie werfen kann. Dank seiner beispiellosen Infrarot-Fähigkeiten kann das Teleskop tiefer in die Vergangenheit blicken als jedes andere Teleskop. Zukünftige Untersuchungen von Galaxien aus dem frühesten Universum könnten Hinweise auf Dunkle-Materie-Teilchen und ihr Verhalten liefern, sagte Yu.
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