Es wird allgemein gelehrt, dass sich Licht in einem Vakuum immer in geraden Linien bewegt. Während dies für viele Situationen auf der Erde der Fall ist, ist die Situation komplexer, wenn wir ins Universum schauen. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als Krümmung oder Verzerrung im Gewebe der Raumzeit. Massive Objekte erzeugen daher ihre Gravitationsfelder, indem sie das Raumzeitkontinuum verzerren. Lichtstrahlen wandern durch das Universum auf Pfaden, die als Geodäten bezeichnet werden und im Wesentlichen die kürzeste Entfernung zwischen zwei Punkten in einem gekrümmten Raum darstellen.In einer flachen Ebene, wie dem nahezu konstanten Gravitationsfeld nahe der Erdoberfläche, sind die Geodäten im Wesentlichen gerade. Im weiteren Universum ist dies jedoch nicht der Fall. Auf gekrümmten Oberflächen, wie der verzogenen Raumzeit des großräumigen Universums, sind die Geodäten gekrümmt.Aus diesem Grund ist es sehr wahrscheinlich, dass jeder Lichtstrahl, den wir entdecken, auf seiner Reise durch den Weltraum in geringem Maße abgelenkt wurde. Dies wird durch die Schwerkraft der verschiedenen Galaxien und Galaxienhaufen verursacht, die ein Lichtstrahl auf seiner Reise passiert.Diese außergewöhnliche Eigenschaft der Natur, die als Gravitationslinse bekannt ist, wurde Anfang des 20.Jahrhunderts von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt. Die Mathematik zeigte, dass jedes massive Himmelsobjekt vorbeiziehende Lichtstrahlen auf die gleiche Weise biegen kann, wie eine Glaslinse Licht in einem Teleskop oder Mikroskop biegt. Die Ablenkung war jedoch winzig und würde besondere Bedingungen erfordern, damit Teleskope sie erkennen können.
(Links) Abbildungen der Wirkung einer Linsenmasse auf ein kreissymmetrisches Bild. (Rechts) Im Galaxienhaufen Abell 2218 sind stark linsenförmige Bögen um den Haufen herum zu sehen. Jede Hintergrundgalaxie ist schwach linsenförmig. Kredit für Abell 2218: NASA, ESA und Johan Richard (Caltech, USA).
Im Jahr 1919 wurden diese Bedingungen durch das Auftreten einer totalen Sonnenfinsternis in einem reichen Sternfeld erfüllt. Expeditionen unter der Leitung des britischen Astrophysikers Arthur Eddington wurden entsandt. Während des Augenblicks der Sonnenfinsternis beobachteten die Astronomen Ablenkungen im Sternenlicht, die durch das Gravitationsfeld der Sonne verursacht worden waren. Als sie ihre Ergebnisse mit Einsteins Vorhersagen verglichen, stellten sie fest, dass sie übereinstimmten. Dieses Ergebnis spielte eine Schlüsselrolle beim experimentellen Beweis von Einsteins Theorie.Einsteins Notizbücher deuten darauf hin, dass er etwa sieben Jahre zuvor erkannt hatte, dass die abgelenkten Lichtstrahlen aus der Umgebung des Himmelsobjekts zu einem vergrößerten Bild zusammenlaufen würden, wenn sich ein Beobachter in der richtigen Entfernung befand. Dies ist ein Phänomen, das als starke Gravitationslinse bekannt ist. Um beispielsweise die Sonne als Gravitationslinse zu verwenden, um ein Bild eines weiter entfernten Himmelsobjekts zu erstellen, müsste ein Beobachter mindestens 550 Mal weiter von der Sonne entfernt sein als die Erde.
In einer schwachen Gravitationslinse werden Lichtstrahlen nicht ausreichend abgelenkt, um das Bild zu vergrößern, sondern führen zu subtilen Verzerrungen. Obwohl die Ablenkung von jedem Galaxienhaufen für sich genommen praktisch nicht nachweisbar ist, führt der kumulative Effekt zu einer subtilen Verzerrung der Bilder entfernter Galaxien, die nur aus Messungen abgeleitet werden kann. Astronomen bezeichnen diesen Effekt als kosmische Scherung.Seit ihrer ersten Entdeckung im Jahr 2000 hat sich cosmic shear zu einer zuverlässigen und robusten kosmologischen Sonde entwickelt, die Messungen der Expansionsgeschichte des Universums und des Wachstums seiner Struktur ermöglicht. Es hat Einschränkungen für die Dichte der Materie im Universum, die Menge der Galaxienhaufen im Universum und das Verhalten der dunklen Energie zur Verfügung gestellt. Alle drei waren nahe an den theoretischen Erwartungen aus Messungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, und dies hat das Vertrauen in die Technik erhöht.
Darstellung einer schwachen Gravitationslinse. Kredit: NASA, ESA und R. Massey.
Bei schwachen Linsen ist die Linse selbst eine ausgedehnte Verteilung dunkler Materie vor einem dichten Hintergrund von Galaxien. Aufgrund des Gravitationsfeldes der dunklen Materie ist jede Hintergrundgalaxie sehr leicht verzerrt. Die Verzerrungen der Hintergrundgalaxien sind nicht zufällig, sondern stimmen mit der Dichteverteilung der dunklen Materie überein. Wenn man also die Hintergrundgalaxien zusammen untersucht, wird ein Scherbild der Vordergrundstruktur sichtbar.
Durch die Messung der Rotverschiebung zu jeder Hintergrundgalaxie wird es möglich, die Strukturen der dunklen Materie zu entwirren, die sich bei verschiedenen Rotverschiebungen befinden. Mit einer ausreichenden Menge an Hintergrundgalaxien bei verschiedenen Rotverschiebungen können wir die Strukturen der dunklen Materie tomographieren. Euclid wird dazu die Verzerrungen von 1, 5 Milliarden Hintergrundgalaxien messen, die sich über 10 Milliarden Lichtjahre des Universums erstrecken, um eine dreidimensionale Ansicht der Verteilung der dunklen Materie in unserem Universum zu erhalten.
Mit diesen Informationen können Kosmologen ableiten, wie sich die großräumige Verteilung galaktischer Strukturen im Laufe der kosmischen Geschichte aufgebaut hat. Dies wird ihnen helfen, die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der solche Strukturen wachsen. Infolgedessen wird es starke Einschränkungen für die Art und Menge der dunklen Materie und der dunklen Energie im Universum geben, die beide die Wachstumsrate beeinflussen.
1: Missionswissenschaft
2: Was ist Dunkle Materie?
3: Was ist dunkle Energie?
4: Was ist Gravitationslinse?
5: Was sind baryonische akustische Schwingungen?
6: Vermächtniswissenschaft (jenseits der Kosmologie)