Astronomen messen die Stärke kosmischer Linsen mit Supernovae

Das Licht der entfernten Supernova SCP/SN-L2 wurde durch die Gravitation des im Vordergrund liegenden Galaxienhaufens MACS J1720+35 gebeugt und verstärkt. Durch den Gravitationslinseneffekt erscheinen die gebeugten Objekte verzerrt. (NASA, ESA, S. Perlmutter (UC Berkeley, LBNL), A. Koekemoer (STScI), M. Postman (STScI), A. Riess (STScI/JHU), J. Nordin (LBNL, UC Berkeley), D. Rubin (Florida State University), and C. McCully (Rutgers University))
Das Licht der entfernten Supernova SCP/SN-L2 wurde durch die Gravitation des im Vordergrund liegenden Galaxienhaufens MACS J1720+35 gebeugt und verstärkt. Durch den Gravitationslinseneffekt erscheinen die gebeugten Objekte verzerrt. (NASA, ESA, S. Perlmutter (UC Berkeley, LBNL), A. Koekemoer (STScI), M. Postman (STScI), A. Riess (STScI/JHU), J. Nordin (LBNL, UC Berkeley), D. Rubin (Florida State University), and C. McCully (Rutgers University))

Entfernte explodierende Sterne, die vom Hubble Space Telescope beobachtet wurden, liefern Astronomen ein leistungsfähiges Hilfsmittel, um die Stärke von natürlich auftretenden “kosmischen Linsen” zu bestimmen. Diese Linsen werden genutzt, um Objekte im entfernten Universum zu vergrößern.

Zwei Astronomenteams beobachteten unabhängig voneinander drei dieser explodierenden Sterne, die als Supernovae bezeichnet werden. Ihr Licht wurde durch die immense Gravitation von massereichen Galaxienhaufen im Vordergrund verstärkt – ein Phänomen, das als Gravitationslinseneffekt bekannt ist. Astronomen verwenden den Gravitationslinseneffekt für die Suche nach entfernten Objekten, die andernfalls zu schwach wären, um beobachtet zu werden, sogar mit den größten Teleskopen der heutigen Zeit.

“Wir haben Supernovae gefunden, die wie eine Sehtafel für jeden lichtbeugenden Galaxienhaufen benutzt werden können”, erklärte Saurabh Jha von der Rutgers University in Piscataway (New Jersey), ein Mitglied des Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble (CLASH) Teams. “Weil wir die Helligkeit der Supernovae schätzen können, können wir die Vergrößerung der Linse messen.” Mindestens zwei der Supernovae scheinen zu einem speziellen Typ namens Typ-Ia-Supernova zu gehören. Dieser Typ ist wertvoll für Astronomen, weil er eine gleichmäßige Maximalhelligkeit besitzt, was ihn zu einem zuverlässigen Hilfsmittel für die Entfernungsmessung macht.

Astronomen des CLASH-Teams und des Supernova Cosmology Project verwenden diese Supernovae in einer neuen Methode, um die Vergrößerung – die “Sehstärke” – der Gravitationslinsen zu messen. Mit diesen “Sehstärke-Verordnungen” können Astronomen jetzt immer präzisere Beobachtungen von entfernten Objekten im frühen Universum durchführen und die Struktur von Galaxienhaufen, sowie die Verteilung der Dunklen Materie in ihnen besser verstehen.

Die beugende Stärke eines Galaxienhaufens als Gravitationslinse hängt von der Gesamtmenge der Materie in dem Galaxienhaufen ab. Das schließt Dunkle Materie mit ein, die einen Großteil der Gravitation eines Galaxienhaufens erzeugt. Astronomen entwickeln Karten, welche die Position und die Menge der Dunklen Materie in einem Galaxienhaufen abschätzen, indem der Verzerrungsgrad von entfernteren, gebeugten Galaxien untersucht wird. Die Karten liefern die “Sehstärke”: wie sehr die entfernten Objekte hinter dem Galaxienhaufen vergrößert werden, wenn ihr Licht den Galaxienhaufen durchquert.

Die drei Supernovae in der Hubble-Studie wurden jeweils durch einen anderen Galaxienhaufen gebeugt und verzerrt. Die Teams maßen die Helligkeit jeder Supernova mit und ohne die Auswirkungen des Gravitationslinseneffekts. Der Unterschied zwischen den beiden Messungen ergibt den Vergrößerungsfaktor der Gravitationslinse. Aus den letzten Messungen stach eine der drei Supernovae mit einem scheinbaren Vergrößerungsfaktor von etwa Zwei heraus.

Die Supernovae wurden im Rahmen des CLASH-Projekts entdeckt, einer Himmelsdurchmusterung mit dem Hubble-Teleskop, die die Verteilung von Dunkler Materie in 25 Galaxienhaufen untersuchte. Die drei Supernovae explodierten vor 7-9 Milliarden Jahren, als das Universum etwas mehr als die Hälfte seines heutigen Alters von 13,8 Milliarden Jahren hatte. Für die Analysen nutzten beide Teams Beobachtungen in sichtbarem Licht von der Advanced Camera for Surveys und in infrarotem Licht von der Wide Field Camera 3. Dann verglich jedes Team seine Ergebnisse mit unabhängigen theoretischen Modellen über die Dunkle Materie in den Galaxienhaufen und schlussfolgerte, dass die Voraussagen zu den Modellen passen.

Jetzt, da Forscher die Effektivität dieser Methode zur kosmischen Vergrößerung bewiesen haben, suchen sie nach weiteren Typ-Ia-Supernovae, die sich hinter großen Galaxienhaufen verbergen. Astronomen schätzen, dass sie ungefähr 20 Supernovae brauchen würden (verstreut hinter einem einzigen Galaxienhaufen), um eine Karte eines kompletten Galaxienhaufens zu erstellen.

Sie sind optimistisch, dass Hubble und zukünftige Teleskope wie das James Webb Space Telescope der NASA weitere dieser einzigartigen explodierenden Sterne identifizieren werden. Die Ergebnisse des CLASH-Teams, “Three Gravitationally Lensed Supernovae Behind CLASH Galaxy Clusters“, sind in der Astrophysical Journal-Ausgabe vom 1. Mai 2014 erschienen. Die Ergebnisse des Supernova Cosmology Project, “Lensed Type Ia supernovae as probes of cluster mass models“, wurden am 1. Mai 2014 in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.

Quelle: http://www.nasa.gov/press/2014/may/hubble-astronomers-use-supernovae-to-gauge-power-of-cosmic-lenses/

(THK)

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