22.06.2018

Nahe Gravitationslinse bestätigt Einstein

Präzisester Test der Allge­meinen Relativitäts­theorie außerhalb der Milch­straße.

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.

Abb.: Das MUSE-Instrument am VLT hat die Geschwindigkeit von Sternen in ESO 325-G004 vermessen, um die
Geschwindigkeitsdispersionskarte zu erzeugen, die über dem Bild von Hubble liegt. Das Inset zeigt den Einsteinring, der aus der Verzerrung des Lichtes einer weiter entfernten Quelle durch die Zwischenlinse ESO 325-004 resultiert, die nach Subtraktion des Vordergrundlinsenlichtes sichtbar wird. (Bild: ESO, ESA / Hubble, NASA)

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

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