Wissenschaftler der EPFL konnten die Masse einer Galaxie, die einen Quasar beherbergt, genauer als mit jeder anderen Technik messen, weil sie wie eine Gravitationslinse wirkt. Mit dem Start der Euclid-Mission in diesem Sommer dürften solche Nachweise von Quasar-Wirtsgalaxien, die als Gravitationslinsen fungieren, zunehmen.
Ein Team von Wissenschaftlern der EPFL hat einen Weg gefunden, das Phänomen der starken Gravitationslinse auszunutzen, um die Masse einer Galaxie, die einen Quasar enthält, genau zu bestimmen - eine dreimal genauere Methode als bisher - sowie ihre Entwicklung auf kosmischen Zeitskalen. Die Kenntnis dieser Masse ermöglicht es, die Entwicklung von Galaxien im Allgemeinen besser zu verstehen und Szenarien für ihre Entstehung und die Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher zu entwickeln. Die Ergebnisse wurden in Nature Astronomy veröffentlicht.
"Dank der Gravitationsanziehung ebnet diese beispiellose Genauigkeit den Weg für solide Schätzungen der Masse von Objekten im fernen Universum, wo herkömmliche Techniken ungenau und anfällig für Verzerrungen sind", erklärt der EPFL-Astrophysiker Frédéric Courbin, Leiter der Studie.
"In der Vergangenheit haben wir bereits die Masse von Gastgalaxien eines Quasars geschätzt", erklärt Martin Millon, Erstautor der Studie und derzeit SNF-Stipendiat an der Stanford University. Aber dank des Gravitationslinseneffekts gelingt es uns zum ersten Mal, so genaue Messungen im fernen Universum vorzunehmen."
Gravitationslinsen und Quasare kombinieren
Ein Quasar ist eine extrem helle Quelle, die von einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum einer Galaxie erzeugt wird, das die umgebende Materie absorbiert. Es ist im Allgemeinen schwierig, die Masse einer Galaxie zu bestimmen, die einen Quasar beherbergt, weil Quasare sehr weit entfernte Objekte sind, aber auch, weil sie so hell sind, dass sie alles in ihrer Umgebung verdecken.
Das Phänomen der Gravitationslinsen ermöglicht es uns, die Gesamtmasse der beobachteten Objekte zu berechnen. Dank Einsteins Relativitätstheorie wissen wir, wie massive Objekte im Vordergrund des Himmels - die Gravitationslinsen - das von Objekten im Hintergrund ausgesandte Licht krümmen können. Das Ergebnis sind seltsame Lichtringe, die sogenannten Einstein-Ringe, die dem durch die Gravitationslinse verzerrten Licht von Hintergrundobjekten entsprechen.
Frédéric Courbin war vor über einem Jahrzehnt mit dem Fahrrad auf dem Weg zum Sauverny-Observatorium, als ihm klar wurde, dass er diese beiden Elemente - Quasare und Gravitationslinsen - kombinieren konnte, um die Masse einer Wirtsgalaxie zu messen. Dazu musste er einen Quasar in einer Galaxie finden, der ebenfalls als Gravitationslinse fungiert.
Bisher wurden nur wenige Quasarlinsen beobachtet
Die Datenbank des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) bot ein gutes Repertoire, um sich auf die Suche nach Kandidaten für Quasarlinsen zu begeben. Um dies sicherzustellen, musste Frédéric Courbin jedoch das Vorhandensein von Einstein-Ringen feststellen. Im Jahr 2010 erhielt er zusammen mit seinen Kollegen Beobachtungszeit am Hubble-Weltraumteleskop, um vier Kandidaten zu untersuchen. Drei erwiesen sich tatsächlich als Gravitationslinsen, und einer von ihnen besitzt einen besonders beeindruckenden Einstein-Ring: SDSS J0919+2720.
Die mit dem Hubble-Teleskop aufgenommenen Bilder von SDSS J0919+2720 zeigen zwei helle Objekte im Vordergrund, die wie Gravitationslinsen wirken. "Wahrscheinlich zwei Galaxien, die gerade verschmelzen", erklärt Frédéric Courbin. Das auf der linken Seite zeigt einen hellen Quasar im Inneren einer Galaxie, die zu dunkel ist, um direkt entdeckt zu werden. Das helle Objekt auf der rechten Seite ist eine andere Galaxie, die Hauptgravitationslinse. Ganz links befindet sich ein schwaches Objekt - eine Satellitengalaxie. Die charakteristischen blauen Ringe der cGravitationslinsen entsprechen dem verzerrten Licht, das von einer anderen Galaxie im Hintergrund kommt.
Computermodelle von Linsen
Durch sorgfältige Analyse des Einsteinrings von SDSS J0919+2720 kann man die Masse der beiden leuchtenden Objekte bestimmen - theoretisch. Es wäre unmöglich gewesen, die Massen der verschiedenen beteiligten Objekte zu trennen, ohne die jüngste Entwicklung einer auf der Wavelet-Theorie basierenden Technik zur Modellierung von Linsen, die vom Koautor und ebenfalls SNF-Stipendiaten Aymeric Galan, der derzeit an der Technischen Universität München arbeitet, entwickelt wurde.
"Eine der größten Herausforderungen der Astrophysik ist es, zu verstehen, wie sich ein supermassereiches Schwarzes Loch bildet", erklärt Aymeric Galan. Um bestimmte Entstehungstheorien auszuschließen oder zu bestätigen, müssen wir seine Masse kennen, wissen, wie sie sich im Vergleich zur Masse der Wirtsgalaxie verhält und wie sie sich auf kosmischen Zeitskalen entwickelt."
"Im lokalen Universum beobachten wir, dass die massereichsten Galaxien auch die massereichsten Schwarzen Löcher in ihren Zentren beherbergen. Das könnte darauf hindeuten, dass das Wachstum von Galaxien durch die Energiemenge reguliert wird, die das zentrale Schwarze Loch ausstrahlt. Um diese Hypothese zu testen, müssen wir jedoch die Wechselwirkungen zwischen Quasaren und ihren Galaxien nicht nur in unserer unmittelbaren Nachbarschaft, sondern auch im fernen Universum untersuchen", erklärt Martin Millon.
Gravitationslinsen sind sehr selten: Das Phänomen ist nur in einer von tausend Galaxien zu beobachten. Da ein Quasar nur in einer von tausend Galaxien beobachtet wird, tritt ein Quasar, der wie eine Linse wirkt, nur einmal in einer Million Galaxien auf. Wissenschaftler erwarten, dass sie mit der Euclid-Mission der ESA und der NASA, die diesen Sommer mit einer Falcon-9-Rakete von SpaceX gestartet werden soll, Hunderte solcher Quasar-Linsen entdecken werden.
