Galaxienhaufen Abell 2218 verzerrt das Licht mehrerer weiter entfernter Galaxien. Bildnachweis: ESO. Klicken um zu vergrößern.
Fünfzig Jahre nach seinem Tod bietet Albert Einsteins Werk immer noch neue Werkzeuge zum Verständnis unseres Universums. Ein internationales Astronomenteam hat nun ein von Einstein im Jahr 1936 erstmals vorhergesagtes Phänomen, die sogenannte Gravitationslinse, genutzt, um die Form von Sternen zu bestimmen. Dieses Phänomen, das auf die Wirkung der Schwerkraft auf Lichtstrahlen zurückzuführen ist, führte zur Entwicklung von Techniken der Gravitationsoptik, darunter Gravitationsmikrolinsen. Es ist das erste Mal, dass diese bekannte Technik verwendet wird, um die Form eines Sterns zu bestimmen.
Die meisten Sterne am Himmel sind punktförmig, was es sehr schwierig macht, ihre Form zu beurteilen. Jüngste Fortschritte in der optischen Interferometrie haben es ermöglicht, die Form einiger weniger Sterne zu messen. Im Juni 2003 wurde beispielsweise anhand von Beobachtungen des Very Large Telescope Interferometers festgestellt, dass der Stern Achernar (Alpha Eridani) der flachste Stern ist, der je gesehen wurde (Details zu dieser Entdeckung finden Sie in der Pressemitteilung der ESO). Bisher wurden nur wenige Messungen der Sternform berichtet, teilweise aufgrund der Schwierigkeit, solche Messungen durchzuführen. Es ist jedoch wichtig, weitere genaue Bestimmungen der Sternform zu erhalten, da solche Messungen helfen, theoretische Sternmodelle zu testen.
Zum ersten Mal wendete ein internationales Astronomenteam [1] unter der Leitung von N.J. Rattenbury (vom Jodrell Bank Observatory, UK) Gravitationslinsentechniken an, um die Form eines Sterns zu bestimmen. Diese Techniken beruhen auf der Gravitationsbeugung von Lichtstrahlen. Wenn Licht, das von einer hellen Quelle kommt, nahe an einem massiven Objekt im Vordergrund vorbeigeht, werden die Lichtstrahlen gebeugt und das Bild der hellen Quelle wird verändert. Wenn das massive Objekt im Vordergrund (die „Linse“) punktförmig und perfekt auf die Erde und die helle Quelle ausgerichtet ist, hat das veränderte Bild von der Erde aus gesehen eine Ringform, den sogenannten „Einstein-Ring“. Die meisten realen Fälle weichen jedoch von dieser idealen Situation ab, und das beobachtete Bild wird auf kompliziertere Weise verändert. Das Bild unten zeigt ein Beispiel für die Gravitationslinsenbildung durch einen massiven Galaxienhaufen.
Gravitationsmikrolinsen, wie sie von Rattenbury und seinen Kollegen verwendet werden, beruhen ebenfalls auf der Ablenkung von Lichtstrahlen durch die Schwerkraft. Gravitationsmikrolinseneffekt ist der Begriff, der verwendet wird, um Gravitationslinsenereignisse zu beschreiben, bei denen die Linse nicht massiv genug ist, um auflösbare Bilder der Hintergrundquelle zu erzeugen. Der Effekt kann immer noch erkannt werden, da die verzerrten Bilder der Quelle heller sind als die der unbelichteten Quelle. Der beobachtbare Effekt der Gravitationsmikrolinse ist daher eine vorübergehende scheinbare Vergrößerung der Hintergrundquelle. In einigen Fällen kann der Mikrolinseneffekt die Helligkeit der Hintergrundquelle um einen Faktor von bis zu 1000 erhöhen. Wie bereits von Einstein aufgezeigt, sind die für die Beobachtung des Mikrolinseneffekts erforderlichen Ausrichtungen selten. Da alle Sterne in Bewegung sind, ist der Effekt außerdem vorübergehend und wiederholt sich nicht. Mikrolinsen-Ereignisse treten über Zeiträume von Wochen bis Monaten auf und erfordern die Erkennung von Langzeituntersuchungen. Solche Erhebungsprogramme gibt es seit den 1990er Jahren. Heute arbeiten zwei Vermessungsteams: eine japanisch-neuseeländische Kollaboration, bekannt als MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) und eine polnisch-princetonische Kollaboration, bekannt als OGLE (Optical Gravitational Lens Experiment). Das MOA-Team beobachtet aus Neuseeland und das OGLE-Team aus Chile. Unterstützt werden sie von zwei Nachfolgenetzwerken, MicroFUN und PLANET/RoboNET, die rund ein Dutzend Teleskope rund um den Globus betreiben.
Die Mikrolinsen-Technik wurde angewendet, um um unsere Milchstraße und andere Galaxien nach dunkler Materie zu suchen. Diese Technik wurde auch verwendet, um Planeten zu erkennen, die andere Sterne umkreisen. Rattenbury und seine Kollegen konnten mit dieser Technik erstmals die Form eines Sterns bestimmen. Das verwendete Mikrolinsen-Ereignis wurde im Juli 2002 von der MOA-Gruppe entdeckt. Die Veranstaltung trägt den Namen MOA 2002-BLG-33 (im Folgenden MOA-33). Rattenbury und seine Kollegen kombinierten die Beobachtungen dieses Ereignisses durch fünf bodengestützte Teleskope mit HST-Bildern und führten eine neue Analyse dieses Ereignisses durch.
Die Linse des Ereignisses MOA-33 war ein Doppelstern, und solche Doppellinsensysteme erzeugen Mikrolinsen-Lichtkurven, die viele Informationen über die Quelle und das Linsensystem liefern können. Die besondere Geometrie der Beobachter-, Linsen- und Quellensysteme während des MOA-33-Mikrolinsen-Ereignisses bedeutete, dass die beobachtete zeitabhängige Vergrößerung des Quellensterns sehr empfindlich auf die tatsächliche Form der Quelle selbst reagierte. Die Form des Quellsterns bei Mikrolinsen-Ereignissen wird normalerweise als kugelförmig angenommen. Durch das Einbringen von Parametern, die die Form des Quellsterns beschreiben, in die Analyse konnte die Form des Quellsterns bestimmt werden.
Rattenbury und seine Kollegen schätzten, dass der Hintergrundstern MOA-33 leicht verlängert ist, mit einem Verhältnis zwischen dem polaren und äquatorialen Radius von 1,02 -0,02/+0,04. Aufgrund der Messunsicherheiten kann jedoch eine Kreisform des Sterns nicht vollständig ausgeschlossen werden. Die Abbildung unten vergleicht die Form des MOA-33-Hintergrundsterns mit denen, die kürzlich für Altair und Achernar gemessen wurden. Während sowohl Altair als auch Achernar nur wenige Parsec von der Erde entfernt sind, ist der Hintergrundstern MOA-33 ein weiter entfernter Stern (etwa 5000 Parsec von der Erde). Tatsächlich können interferometrische Techniken nur auf helle (also nahegelegene) Sterne angewendet werden. Im Gegenteil, die Mikrolinsentechnik ermöglicht es, die Form viel weiter entfernter Sterne zu bestimmen. Tatsächlich gibt es derzeit keine alternative Technik, um die Form entfernter Sterne zu messen.
Diese Technik erfordert jedoch sehr spezifische (und seltene) geometrische Konfigurationen. Aus statistischen Überlegungen schätzte das Team, dass etwa 0,1 % aller erkannten Mikrolinsenereignisse die erforderlichen Konfigurationen aufweisen. Jedes Jahr werden etwa 1000 Mikrolinsenereignisse beobachtet. Sie sollen in naher Zukunft noch zahlreicher werden. Die MOA-Gruppe nimmt derzeit ein neues, von Japan geliefertes 1,8-m-Weitfeld-Teleskop in Betrieb, das Ereignisse mit einer erhöhten Rate erkennen wird. Außerdem erwägt eine von den USA geführte Gruppe Pläne für eine weltraumgestützte Mission namens Microlensing Planet Finder. Dies soll eine Zählung aller Arten von Planeten innerhalb der Galaxis ermöglichen. Als Nebenprodukt würde es auch Ereignisse wie MOA-33 erkennen und Informationen über die Formen von Sternen liefern.
Originalquelle: Jodrell Bank Observatorium