Der erstaunliche Gravitationslinseneffekt ermöglicht es Ihnen, die tatsächliche Krümmung der Raumzeit zu sehen. Sind diese Beweise zuverlässig?

Der Gravitationslinseneffekt ist eine Schlussfolgerung aus Einsteins Theorie der Raum-Zeit-Krümmung und zugleich eine Vorhersage. Viele Menschen spotten über die Theorie der Raum-Zeit-Krümmung und glauben, dass dieses unsichtbare und nicht greifbare Ding bloß etwas ist, worüber Wissenschaftler auf der Grundlage ihrer Fantasie nach dem Zufallsprinzip spekuliert haben.

Die Entdeckung der Gravitationslinsen war für diese Leute ein Schlag ins Gesicht. Denn der Gravitationslinseneffekt kann es den Menschen intuitiv ermöglichen, die Wahrheit über die Krümmung der Raumzeit zu erkennen, indem er diese unsichtbare Krümmung der Raumzeit sichtbar macht.

Was ist der Gravitationslinseneffekt?

Die Theorie der Raum-Zeit-Krümmung besagt, dass Masse eine Krümmung der umgebenden Raumzeit verursacht. Je größer die Masse und je näher sie am Teilchen ist, desto stärker ist die entstehende Raum-Zeit-Krümmung. Diese gekrümmte Raumzeit ist aus der Ferne unsichtbar und nicht greifbar, doch wenn sich Objekte diesen massiven Himmelskörpern nähern, werden sie durch die gekrümmte Raumzeit verändert, neigen dazu, näher herangezogen zu werden und sich entlang ihrer Krümmung zu bewegen. Dieses Phänomen manifestiert sich in Form der Schwerkraft.

Diese Theorie erklärt perfekt den Ursprung der universellen Gravitation. Die entsprechende Gravitationsfeldtheorie, die auf der universellen Gravitation basiert, korrigiert einige Fehler und Irrtümer in Newtons klassischer Mechanik und macht Berechnungen der Himmelsbewegung und der Luft- und Raumfahrt genauer.

Bereits 1911 schlug Einstein vor, dass das Licht ferner Sterne beim Durchgang über die Sonnenoberfläche aufgrund der Krümmung der umgebenden Raumzeit durch massereiche Himmelskörper leicht abgelenkt würde. Im Jahr 1916 veröffentlichte Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie und entwickelte damit die Theorie der Raum-Zeit-Krümmung systematisch weiter.

Einsteins Theorie war schockierend und löste in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine starke Reaktion aus. Um Einsteins Theorie der Raum-Zeit-Krümmung zu überprüfen, leitete der britische Astronom Eddington eine Expedition und reiste Tausende von Kilometern zum besten Beobachtungspunkt für Sonnenfinsternisse auf der Principe-Insel in Afrika. Am 25. Mai 1919 wurde während einer totalen Sonnenfinsternis beobachtet, dass das Licht entfernter Sterne nahe an der Sonne vorbeizog und um 1,75 Zoll abgelenkt wurde.

Dies bestätigt die Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie: Materie bestimmt die Form der Raumzeit, und das Gravitationsphänomen, das durch die Verzerrung der Raumzeit durch Masse entsteht, führt zu einer Krümmung des Lichts. Im Universum kann ein massiver Himmelskörper vor uns die sichtbare Hintergrundgalaxie aufhellen oder ihr Bild verzerren. Das Prinzip ähnelt dem Effekt einer optischen Linse und wird daher als Gravitationslinseneffekt bezeichnet.

Der Gravitationslinseneffekt setzt sich im Allgemeinen aus drei Bedingungen zusammen, nämlich dem Beobachter, dem vorderen Objekt und dem beobachteten Hintergrundobjekt. Die Beobachter sind natürlich wir Menschen auf der Erde, die durch Weltraumteleskope und andere Einrichtungen Himmelskörper im Universum beobachten; das Vorgängerobjekt ist das Gravitationsquellobjekt zwischen dem beobachteten Hintergrundobjekt und dem Beobachter; Das beobachtete Hintergrundobjekt ist der entfernte Himmelskörper, dessen Licht vom Menschen durch die Gravitationslinse beobachtet wird.

Durch Beobachtung der Lichtquellen, die durch die Gravitationslinse hindurchgehen, können wir die Existenz dieser Linse feststellen und damit die Existenz der Krümmung der Raumzeit bestätigen.

Gravitationslinsen werden entdeckt, und immer mehr

Das Bild zeigt die optische Abbildung von QSO 0975+561. Das linke Bild unten ist die VLA-Abbildung. Man erkennt, dass A und B als Linsen G wirken und A und B spiegelsymmetrisch sind.

Die ersten, die den Gravitationslinseneffekt entdeckten, waren eine Gruppe britischer und amerikanischer Astronomen: Dennis Walsh, Robert Carswell und Ray Weyman. Mithilfe des optischen 2,1-Meter-Teleskops am Kitt Peak National Observatory in Arizona beobachteten sie zwei Quasare, QSO0957+561A und QSO0957+561B, die sehr nahe beieinander liegen und deren Betrachtungswinkel nur 6 Zoll beträgt.

Das Merkwürdige ist, dass die Spektren dieser beiden Quasare sehr ähnlich sind. Die Rotverschiebung der Emissionslinie beträgt 1,405 und die der Absorptionslinie 1,39. Auch die Radioflussdichte ist sehr ähnlich und die scheinbare Entfernung ist sehr gering. Am Ende glaubten die Wissenschaftler, dass es sich bei den beiden Quasaren tatsächlich um zwei virtuelle Bilder einer einzigen Entität handelte, und zwar um das Bild, das durch den von Einstein vorhergesagten Gravitationslinseneffekt entstand.

Das Bild zeigt die Spektren der beiden Bilder des Quasars QSO 0957+561A und B. Die Formen sind sehr ähnlich, es handelt sich also tatsächlich um zwei Spiegelbilder eines Quasars nach der Gravitationslinsenwirkung.

Nach weiterer Beobachtung und Berechnung ist der Quasar QSO0957+561 8,7 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, während der dazwischenliegende und als Linse wirkende Himmelskörper YGKOW G1 (kurz G1) 3,7 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist. Diese G1 ist eine riesige Galaxie, die eine riesige Gravitationslinse bildet. Wenn das Licht des Quasars QSO0957+561 durch die Linse fällt, wird es vergrößert und bildet zwei Spiegelbilder.

Im Jahr 1980 entdeckten Weiman und seine Kollegen einen weiteren Quasar, PG 1115+080, der wie ein Dreifachbild aussah. Eines der Bilder war jedoch besonders hell, viel heller als die anderen beiden. Später stellte sich heraus, dass dies das Ergebnis der Überlagerung zweier Bilder mit einer Differenz von 0,5 Zoll war. Daher war das von der Gravitationslinse gebrochene Quasarbild tatsächlich ein Vierfachbild.

Dieser Gravitationslinseneffekt mit vierfachem Bild wird als Einsteinkreuz bezeichnet.

Theoretisch verzerrt jeder Himmelskörper die umgebende Raumzeit und bildet eine Gravitationslinse. Daher kann man sagen, dass Gravitationslinsen in jeder Ecke des Universums vorhanden sind. Diese „Linse“ ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn die „Linse“ groß genug ist und sich dahinter zufällig ein vergrößerter oder mehrfach gespiegelter Himmelskörper befindet. Noch bedeutsamer ist sie jedoch nur, wenn sich der Gravitationslinseneffekt auf weit entfernte Himmelskörper ausbildet.

Mit der Entdeckung immer neuer Gravitationslinsen hat man nicht nur zahlreiche Spiegelbilder weit entfernter Himmelskörper entdeckt, sondern auch Einsteinringe. Der sogenannte Einstein-Ring entsteht durch den Gravitationslinseneffekt, der dazu führt, dass die Lichtquelle, die durch die Linse fällt, ringförmig verzerrt wird. Am Rand der Gravitationslinse gibt es einige unvollständige und einige vollständige Kreise.

1988 entdeckten der amerikanische Astronom Hewitt und andere den ersten unvollständigen Einsteinring mit der Bezeichnung MG1131 + 0456. 1998 entdeckten britische Astronomen mit dem Hubble-Weltraumteleskop den ersten vollständigen Einsteinring mit der Bezeichnung B1938 + 666.

Der schöne Ring im Bild unten ist nicht aufgemalt, sondern ein echtes Foto des Gravitationslinseneffekts.

Mittlerweile ist das Phänomen der Gravitationslinse im Universum allgegenwärtig. Je nach Größe der Gravitationsquelle werden Gravitationslinsen in drei Stufen unterteilt: Mikrolinse, schwache Gravitationslinse und starke Gravitationslinse.

Die von Himmelskörpern wie der Sonne gebildete Gravitationslinse ist eine typische Mikrolinse, die beim Durchgang durch weiter entfernte Himmelskörper nur eine geringe Ablenkung des Lichts bewirken kann; der vergrößernde und verstärkende Effekt einer schwachen Gravitationslinse ist stärker als der einer Mikrolinse, wodurch die vorbeiziehende Lichtquelle heller wird; Eine starke Gravitationslinse kann die vorbeiziehende Lichtquelle erheblich verstärken und das Sternbild verändern, wodurch Doppelbilder, Mehrfachbilder sowie Halbbögen und Vollbögen entstehen.

Durch diese Gravitationslinsen können Menschen mehr Himmelsobjekte sehen, die weiter entfernt und heller sind.

Gravitationslinsen ermöglichen den Blick in die ferne Vergangenheit

Heute kann die Wissenschaftsgemeinde durch verschiedene riesige und hochpräzise astronomische Teleskope immer weiter entfernte Himmelskörper beobachten. So wurden beispielsweise primitive Sterne in einer Entfernung von mehr als neun Milliarden Lichtjahren und Galaxien in einer Entfernung von mehr als 13 Milliarden Lichtjahren entdeckt. Diese Sterne und Galaxien sind jedoch nicht direkt durch das Teleskop sichtbar. Stattdessen werden sie durch den enormen Gravitationslinseneffekt der Himmelskörper im Vordergrund entdeckt, der das entfernte, schwache und trübe Sternenlicht um ein Vielfaches verstärkt.

Im Mai 2016 beobachteten Astronomen beispielsweise Licht von einem 9 Milliarden Lichtjahre entfernten Stern. Dies wurde durch die Kombination des Hubble-Teleskops und einer Gravitationslinse entdeckt, die das Licht dieses weit entfernten Sterns viel heller machte. Der Stern erhielt den Namen LS1 (Lensing Star 1) und den Spitznamen „Ikarus“.

Im Allgemeinen können moderne Weltraumteleskope einzelne Sterne innerhalb von 100 Millionen Lichtjahren problemlos auflösen. Um solche Sterne zu finden, müssen wir uns daher auf den Gravitationslinseneffekt verlassen und eine vorwärts gerichtete Gravitationsquelle genau in der Mitte des Sterns finden. Die von dieser Gravitationsquelle gebildete Gravitationslinse lässt sich im Allgemeinen problemlos um das 50-fache vergrößern, sodass einzelne Sterne im Umkreis von 100 Millionen Lichtjahren unterschieden werden können.

Die zwischen den Sternen von LS1 eingeschlossene Gravitationslinse vergrößerte den Stern um das 2.000-fache und die leistungsstarke Funktion des Hubble-Teleskops, das die Auflösung im Vergleich zum menschlichen Auge um das 600-Millionen-fache erhöht, ermöglichte es den Astronomen, diesen Stern zu sehen.

Gemäß der Beziehung zwischen der Beobachtung durch das menschliche Auge und der Lichtgeschwindigkeit ist die Geschichte eines Objekts umso älter, je weiter es entfernt ist. Durch Gravitationslinsen können Menschen Himmelskörper in über 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung sehen. Daher kann davon ausgegangen werden, dass sich diese Himmelskörper im Zustand der frühen Tage des Urknalls befinden, also im Anfangszustand des Universums, der bei der Erforschung der Evolution des Universums eine bedeutende Rolle spielt.

Zwei neue dunkle Wolken in der modernen Physik

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubte die wissenschaftliche Gemeinschaft, dass der Hauptteil des Physikgebäudes der Menschheit fertiggestellt sei und nur noch einige Dekorationsarbeiten übrig seien. Allerdings tauchten vor den Augen der Menschen zwei dunkle Wolken auf: Zum einen die Wellendynamik des Lichts, und die Ergebnisse des Michelson-Morley-Experiments widersprachen der Ätherdrifttheorie; Die andere bezog sich hauptsächlich auf die Tatsache, dass das Gesetz der Energiegleichverteilung in der Thermodynamik zu Ergebnissen führte, die nicht mit den experimentellen Ergebnissen bei der theoretischen Erklärung der spezifischen Wärmekapazität von Gasen und des Energiespektrums der Wärmestrahlung übereinstimmten. Am auffälligsten war dabei die „Ultraviolettkatastrophe“, die in der Theorie der Schwarzkörperstrahlung auftrat.

Einstein und Planck

Diese beiden dunklen Wolken haben die Theorie, die auf Newtons klassischer Mechanik und Maxwells vereinheitlichter elektromagnetischer Theorie basiert, in eine Krise gestürzt. Werden diese Gebäude einstürzen oder abgerissen und neu aufgebaut werden? Eine Zeit lang herrschte in der Physikergemeinde Verwirrung und Panik. Die Geburt von Einsteins Relativitätstheorie und Plancks Quantenmechanik brachte Licht zurück in das Gebäude der Physik.

Infolgedessen wurden Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu den beiden wichtigsten Eckpfeilern der modernen Physik und die Physik entwickelte sich von der klassischen zur modernen.

Nun sind in der Physik zwei größere dunkle Wolken aufgetaucht. Sie sind unsichtbar und nicht greifbar, aber sie scheinen überall zu sein. Dies sind dunkle Materie und dunkle Energie.

Bei der Untersuchung der Gesetze, die der Bewegung der Himmelskörper im Universum zugrunde liegen, stellt man fest, dass es immer wieder zu erheblichen Abweichungen von der Theorie kommt. Beispielsweise verwendete der Astrophysiker Zwicky im Jahr 1933 die spektrale Rotverschiebung, um die Bewegungsgeschwindigkeit jeder Galaxie im Coma-Galaxienhaufen zu messen, und stellte fest, dass die Geschwindigkeitsdispersion dieser Galaxien extrem hoch war. Die Gravitationskraft der sichtbaren Masse der Galaxien war völlig unfähig, diese Galaxien zu binden, und der Galaxienhaufen wäre längst auseinandergefallen.

Daher wies er darauf hin, dass es in diesem Galaxienhaufen noch weitere unsichtbare Materie geben müsse. Nach Berechnungen stellte sich heraus, dass diese Materie mindestens 100-mal größer war als die sichtbare Materie. Später entdeckten Wissenschaftler, dass dieses Phänomen im gesamten Universum vorkommt, und nannten diese unsichtbare Materie daher „Dunkle Materie“.

Dies führt zu einem weiteren Widerspruch: Wenn dunkle Materie in unserem Universum weit verbreitet ist, dann wäre die Gravitationskraft zwischen ihnen extrem groß und das gesamte Universum müsste schrumpfen. Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass sich das Universum immer noch mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt. Woher kommt diese Expansionskraft? Diese Kraft ist außerdem unsichtbar und nicht greifbar, weshalb Wissenschaftler diese Energie „dunkle Energie“ nennen.

Wie groß ist diese dunkle Energie? Nach einigen komplexen Berechnungen der Ausdehnung des Universums und der Gravitationskraft von Galaxien gelangte man zu dem Schluss, dass dunkle Energie um ein Vielfaches häufiger vorkommt als dunkle Materie. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft herrscht allgemeiner Konsens darüber, dass in unserem Universum beobachtbare Materie wie Sterne, Galaxien und interstellare Materie nur 4,9 % des gesamten Universums ausmacht, während dunkle Materie 26,8 % und dunkle Energie 68,3 % ausmacht.

Daher scheinen Zukunft und Bestimmung unseres Universums nicht durch sichtbare Materie bestimmt zu werden, sondern durch das Spiel zwischen dunkler Materie und dunkler Energie. Wenn wir diese beiden „dunklen Wolken“, die über der Astrophysik hängen, nicht klären, wird es für die Menschheit schwierig sein, die tieferen Wahrheiten des Universums zu finden. Aber dunkle Materie und dunkle Energie können nicht beobachtet werden. Was sind sie also? Wie ist ihre Verteilung im Raum? Dies ist eine Frage, die die wissenschaftliche Gemeinschaft seit Jahrzehnten zu beantworten versucht.

Glücklicherweise hat die Gravitationslinse dunkle Materie sichtbar gemacht

Da dunkle Materie nicht geladen ist, interagiert sie nicht mit Photonen. Der Mensch verlässt sich bei der Beobachtung von Materie vollständig auf Licht (sichtbares Licht, Radiowellen und Strahlen sind allesamt unterschiedliche Lichtbänder). Auf diese Weise ist dunkle Materie für den Menschen transparent. Obwohl man die Masse der Dunklen Materie in einer Galaxie oder einem Galaxienhaufen durch Gravitationseffekte berechnen kann, was wäre, wenn wir die Verteilung dieser Dunklen Materie im Weltraum kennen würden?

Der Gravitationslinseneffekt gibt den Menschen einen Hoffnungsschimmer.

Der Vorläufer-Himmelskörper, der den Gravitationslinseneffekt erzeugt, kann ein riesiges Schwarzes Loch, eine Galaxie, ein Galaxienhaufen usw. sein, oder es kann sich auch um einen einfachen Cluster aus dunkler Materie handeln. Auch in sichtbaren Himmelskörpern wie Galaxienhaufen nimmt die Dunkle Materie eine tragende Rolle ein.

Obwohl Dunkle Materie keine Strahlung aussendet und nicht direkt beobachtet werden kann, da sie eine wichtige oder sogar große Rolle beim Gravitationslinseneffekt spielt, können Wissenschaftler den Gravitationslinseneffekt nutzen, um ihre Verteilung im Raum zu analysieren. Daher wird der Gravitationslinseneffekt zu einer Sonde für die Entdeckung dunkler Materie im Universum.

Im Januar 2007 veröffentlichten europäische und amerikanische Wissenschaftler erstmals eine dreidimensionale Karte der Verteilung der dunklen Materie im lokalen Universum. Diese dreidimensionale Karte wurde mithilfe des Gravitationslinseneffekts erstellt. Dieses Bild ist das Ergebnis der Weisheit von 70 Astronomen, die gemeinsam 575 vom Hubble-Teleskop in 1.000 Stunden aufgenommene Fotos analysierten, 500.000 durch Gravitationslinsen verzerrte Galaxien identifizierten und dieses dreidimensionale Bild der dunklen Materie erstellten.

Diese dreidimensionale Karte der Verteilung dunkler Materie wurde 2007 von den Akademikern der beiden chinesischen Akademien als eine der zehn größten wissenschaftlichen und technologischen Errungenschaften der Welt aufgeführt. Dieses Bild deckt einen 2,2°^2 großen Bereich des Himmels im Sternbild Sextans ab, was der Fläche von 9 Vollmonden entspricht. Die Entfernungen sind in drei Stufen unterteilt: 3 Milliarden Lichtjahre, 5 Milliarden Lichtjahre und 6,5 Milliarden Lichtjahre.

Am 21. August 2006 veröffentlichten amerikanische Wissenschaftler eine Reihe zusammengesetzter Bilder, die 2004 von den Weltraumteleskopen Hubble und Chandra aufgenommen wurden. Dabei handelt es sich um ein zusammengesetztes Bild des „Bullet Cluster“ in 1E0657-56 Carina, 3,4 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, der durch die Kollision und Verschmelzung zweier großer Galaxienhaufen entstanden ist.

Das Foto zeigt die Wirkung von drei Teleskopen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Es gibt rotes Hochtemperaturgas, weiße und gelbe Galaxien und einen blauen Bereich, der die dunkle Materie im Galaxienhaufen darstellt. Diese Verteilungen dunkler Materie werden auf Grundlage der Analyse des Gravitationslinseneffekts dargestellt, der durch Galaxienhaufen entsteht. Die Bilder zeigen deutlich den Kollisionsprozess der Galaxienhaufen, den Trennungsprozess von dunkler Materie und gewöhnlicher Materie sowie den räumlichen Verteilungszustand.

Am 15. Mai 2007 veröffentlichte das Hubble-Teleskop ein Bild eines Dunkle-Materie-Rings im Galaxienhaufen CL0024+17 mit einem Durchmesser von 2,6 Millionen Lichtjahren. Auf dem Foto sind viele blaue Bögen zu sehen, bei denen es sich um durch Gravitationslinsen verzerrte, weiter entfernte Galaxien handelt. Dieses Foto wurde im November 2004 vom Hubble-Teleskop unter Verwendung von sechs verschiedenen Wellenlängenfiltern aufgenommen und 14 Stunden lang belichtet.

Am 16. August 2007 und 27. August 2008 veröffentlichten die Hubble- und Chandra-Teleskope zwei ähnliche Fotos: den Galaxienhaufen Abell 520 im Orion, 2,4 Milliarden Lichtjahre entfernt; und der Galaxienhaufen MACS J0025.4-1222 im Walfisch, 5,9 Milliarden Lichtjahre entfernt. Dies alles sind direkte Beweise für die Existenz dunkler Materie im Universum.

Heute stehen der Wissenschaft zahlreiche Methoden zur Erforschung dunkler Materie und dunkler Energie zur Verfügung, doch die Gravitationslinsenwirkung hat dabei schon immer eine unersetzliche Rolle gespielt. Gravitationslinsen spielen auch in wissenschaftlichen Verfahren eine wichtige Rolle, beispielsweise bei der Messung der Hubble-Konstante und der Bestimmung des Alters des Universums. Dies alles sind Folgeergebnisse von Einsteins Theorie der Raum-Zeit-Krümmung und unwiderlegbare Beweise für die Krümmung der Raumzeit.

Glauben Sie nach der Lektüre immer noch, dass es keine Raum-Zeit-Krümmung gibt? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

Das Urheberrecht von Space-Time Communication liegt beim Original. Urheberrechtsverletzungen und Plagiate sind unethisches Verhalten. Bitte haben Sie Verständnis und kooperieren Sie.