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Gravitationslinsen: Wie kommt das Einstein-Kreuz zu Stande?

Das Einstein-Kreuz ist keineswegs ein Rückenleiden, sondern ein Himmelsphänomen: Exakt vier Bilder desselben weit entfernten Quasars erscheinen kreuzförmig rund um eine Galaxie. Doch wie kommt diese Anordnung zu Stande? Und warum sind es vier Punkte statt eines Einstein-Rings, des bei entfernten Galaxien beobachteten Kreisbogens?
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Der Gravitationslinseneffekt kann in Wahrheit eine unterschiedliche Anzahl an Bildern erzeugen. Die Anzahl und die Form der Bilder hängen im Wesentlichen von der Massenverteilung der Linse und der Anordnung von Beobachter, Linse und gelinstem Quasar oder Hintergrundgalaxie ab. Die erste Gravitationslinse wurde von Dennis Walsh, Robert Carswell und Ray Weymann 1979 entdeckt (Q0957+561) und bestand aus nur zwei sichtbaren Bildern.

Die Entstehung von Mehrfachbildern ist eine Folge der Lichtablenkung, verursacht von der gekrümmten Raumzeit in der Nähe der Linse. Folgen wir den Lichtstrahlen einer entfernten Galaxie, so strahlt diese zunächst in alle Richtungen Licht ab, und nur ein kleiner Teil erreicht uns auf der Erde. Begegnet das Licht der Hintergrundgalaxie einer oder mehreren weiteren Galaxien, so verhält sich das Licht, als würde es von der Galaxie (Linse) angezogen. Dadurch erreichen uns Lichtstrahlen, welche die Erde sonst verfehlt hätten. Das Licht hat dann gegebenenfalls mehrere Möglichkeiten, sich um die Linsengalaxie herum zu uns zu bewegen.

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Radiokarten-Quasare | Links: Optische Bilder zweier Viererlinsen. Die Falschfarben geben die Helligkeitsverteilung in den Bildern wieder, die Größe der Einzelbilder ist durch die Winkelauflösung bestimmt. Im Zentrum ist jeweils die "linsende" Galaxie zu erkennen. Oben ist das bekannte "Einsteinkreuz" (Q2237+030) gezeigt, unten der Quasar HE0435–1223. Rechts: Radiobild einer Dreierlinse (Quasar MG 2016+112). Die Helligkeitsverteilung in den Einzelbildern ist hier durch Isophoten dargestellt. Die Symbole D und G1 bezeichnen die Orte der (im Radiobereich unsichtbaren) großen Linsengalaxie und einer kleinen Nachbargalaxie. Deren zusätzliches Schwerefeld ist dafür verantwortlich, dass Bild C hier etwas länglich erscheint. In Wahrheit ist es in weitere Komponenten aufgespalten.

Bei einer praktisch punktförmigen Masse als Linse können uns Lichtstrahlen auf zwei Wegen erreichen, und so entstehen zwei Bilder. Galaxien als Linsen weisen jedoch eine erhebliche Ausdehnung und Asymmetrie (Elliptizität und ähnliches) auf. In diesem Fall finden die Lichtstrahlen weitere Wege zu uns. Wenn die »ungestörte« Verbindungslinie Hintergrundquasar – Beobachter dicht am Zentrum der Linsengalaxie vorbeiführt, können vier Bilder entstehen. Dies ist der Fall beim so genannten Einstein-Kreuz und es ist der am zweithäufigsten beobachtete Fall.

Wenn Linse und Hintergrundquelle perspektivisch etwas weiter voneinander getrennt sind, werden drei Bilder erzeugt. Meistens ist eines dieser Bilder zu lichtschwach und zu dicht am Zentrum der Linse, um in Erscheinung zu treten. Die am häufigsten beobachtbaren gelinsten Quasare zeigen daher Doppelbilder. Mehr als vier Bilder können erzeugt werden, wenn die Linsen noch komplexer aufgebaut sind und beispielsweise aus einem ganzen Galaxienhaufen bestehen. Solche Fälle treten in der Praxis jedoch selten auf.

Kurze Antwort auf die letzte Frage von Herrn Christensen: Es ist eine grundlegende Eigenschaft aller Linsen, auch normaler optischer Linsen, dass sie aus Punktquellen wie Quasaren stets auch Punktbilder machen. Die Bögen und Ringe, die man bei Gravitationslinsen gelegentlich sieht, sind verzerrte Bilder von ausgedehnten Objekten – nämlich von Galaxien.

November 2017

Dieser Artikel ist enthalten in Sterne und Weltraum November 2017

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