Nahe Gravitationslinse bestätigt Einstein

Astronomen haben den bisher genauesten Test von Einsteins Allge­meiner Relativitäts­theorie außerhalb der Milchstraße durchgeführt. Die nahe­gelegene Galaxie ESO 325-G004 wirkt wie eine starke Gravitations­linse, die das Licht einer fernen Galaxie dahinter verzerrt und einen Einsteinring um ihr Zentrum bildet. Durch den Vergleich der Masse von ESO 325-G004 mit der Krümmung des Weltraums um ihn herum fanden die Astronomen heraus, dass sich die Gravi­tation auf diesen astro­nomischen Längen­skalen wie von der Allge­meinen Relativitäts­theorie vorhergesagt verhält. Das schließt einige alter­native Theorien der Schwerkraft aus.

Das Astronomen­team um Thomas Collett von der Univer­sität Portsmouth in Groß­britannien hat mit dem MUSE-Instrument am VLT der Eso zunächst die Masse des ESO 325-G004 bestimmt, indem man die Bewegung der Sterne in dieser nahe­gelegenen ellip­tischen Galaxie vermessen hat. „Wir haben zum einen anhand von Daten vom Very Large Telescope in Chile ermittelt, wie schnell sich die Sterne in ESO 325-G004 bewegen. So können wir die Masse der Galaxie ableiten, die diese Sterne auf ihrer Umlauf­bahn halten muss“, sagt Collett. Aber das Team war auch in der Lage, einen anderen Schwerkraftaspekt zu messen: Mit dem Hubble-Teleskop beobach­teten sie einen Einstein­ring, der durch das Licht einer fernen Galaxie entsteht, das durch die dazwischen­liegende ESO 325-G004 verzerrt wird. Durch die genaue Beo­bachtung des Rings konnten die Astro­nomen messen, wie das Licht und damit die Raumzeit durch die riesige Masse von ESO 325-G004 verzerrt wird.

Einsteins Allge­meine Relativitäts­theorie sagt voraus, dass masse­behaftete Objekte die Raumzeit um sich herum krümmen, wodurch das vorbei­ziehende Licht abgelenkt wird. Dies führt zum Gravitations­linsen­effekt, der nur bei sehr masse­reichen Objekten spürbar ist. Einige hundert starke Gravitations­linsen sind bekannt, aber die meisten sind zu weit entfernt, um ihre Masse genau zu messen. Die Galaxie ESO 325-G004 ist jedoch eine der nächst­gelegenen Linsen, nur 450 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. „Wir kennen die Masse der Vorder­grund­galaxie von MUSE und wir haben die Stärke des Gravitations­linseneffekts mit Hubble gemessen. Wir verglichen dann diese beiden Ansätze, die Stärke der Schwerkraft zu messen. Das Ergebnis war genau das, was die Allge­meine Relativitäts­theorie voraus­sagt, mit einer Unsicher­heit von nur neun Prozent. Dies ist der bisher präziseste Test der Allge­meinen Relativitäts­theorie außerhalb der Milch­straße. Und das mit nur einer Galaxie“, sagt Collett.

Die Allge­meine Relativitäts­theorie wurde mit hoher Genau­igkeit auf den Skalen des Sonnen­systems getestet und die Bewegung der Sterne im Zentrum der Milchstraße wird detailliert untersucht, aber bislang gab es keine genauen Tests auf noch größeren astro­nomischen Skalen. Die Prüfung der Lang­streckeneigen­schaften der Schwerkraft ist entscheidend für die Vali­dierung unseres aktuellen kosmo­logischen Weltbilds. Diese Erkennt­nisse können wichtige Impli­kationen für Modelle der Gravi­tation als Alter­native zur Allge­meinen Relativitäts­theorie haben. Diese alter­nativen Theorien sagen voraus, dass die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Krümmung der Raumzeit skalen­abhängig sind. Das bedeutet, dass sich die Schwerkraft über astro­nomische Längenskalen hinweg anders verhalten sollte als auf den kleineren Skalen des Sonnen­systems. Collett und sein Team fanden heraus, dass dies unwahr­scheinlich ist, es sei denn, diese Unter­schiede treten nur auf Längen­skalen auf, die größer als 6000 Lichtjahre sind.

ESO / JOL