Das Einsteinkreuz: eine Galaxie vor einem Quasar bricht dessen Licht so, dass dieser als vier etwa gleich große Abbilder seiner selbst erscheint. (Quelle: Wikipedia)
Von allen Objekten, die man am Himmel beobachten kann dürfte das Einsteinkreuz das seltsamste überhaupt sein. Die Galaxie ZW 2237+030 steht dabei aus Sicht der Erde in ca. 400 Millionen Lichtjahren direkt vor dem etwa 8 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar QSO 2237+0305.
Die Seltsamkeit dieses Objektes liegt natürlich nicht darin begründet, dass es eine Gravitationslinse ist. Die Existenz solcher Linsen in denen das Licht von Objekten gebogen wird steht ausser Frage. Was also macht das Einsteinkreuz so besonders?
Wie muss die Masse in einem Objekt verteilt sein damit es das Licht eines Objektes in vier etwa gleich große Portionen aufteilt und so anordnet?
Gravitationslinsen verhalten sich üblicherweise nicht anders als eine konvexe Linse, die man sich vor das Auge hält und dadurch eine Punktförmige Lichtquelle betrachtet. Hält man sie direkt vor die Quelle wird das Licht zu einem Ring geformt, der sich mehr oder weniger gleichmässig um den Mittelpunkt legt. Verschiebt man die Linse wird dieser Ring aufreissen und zu einer Sichel geformt. Je weiter man die Linse aus der Achse verschiebt, desto kürzer wird der Bogen und desto breiter wird die Sichel an der dicksten Stelle. Eine korrespondierende kürzere und schmalere Sichel hängt von dem Brechungsindex und der Entfernung der Linse ab.
Simulation der Verschiebung einer Gravitationslinse über der dahinter liegenden Galaxie. Deutlich ist der Ring zu sehen wenn die Linse direkt vor der Galaxie ist und die beiden unterschiedlich großen Sicheln, wenn die Linse verschoben ist. (Quelle Wikipedia)
Als Gravitationslinsen kommen nach heutigem Kenntnisstand massereiche Objekte wie Quasare, Neutronensterne und Schwarze Löcher aber auch Galaxien selbst in Frage.
Das Hubble Utra Deep Field Projekt hat gezeigt, dass der Himmel übersät ist mit solchen optischen Effekten. Und alle zeigen die typischen Verzerrungen, die man erwarten kann. Manche weichen mehr vom idealen Kreis oder Sichel ab, andere weniger. Mit Sicherheit haben wir bisher nur sehr wenige der aktuell von der erde aus beobachtbaren Linseneffekte entdeckt.
Das Hubble Deep Field Projekt und einige Jahre später das Ultra Deep Field Projekt haben jeweils nur einen winzigen Ausschnitt des Himmels ausreichend lange fotografiert. Bei dem 2004 abgeschlossenen Ultra Deep Field waren es etwa dreizehn-millionstel des Himmels. Und bereits auf diesem winzigen Ausschnitt kann man hunderte Verzerrungen bei den dort etwa 10.000 sichtbaren Galaxien ausmachen.
Der Galaxiencluster Abell 383 formt gleich mehrere dahinter liegende Objekte zu skurilen Schlieren. Bei einer starken Ungleichverteilung der Masse in dem Cluster auch zu erwarten.
Eine Konstellation wie das Einsteinkreuz wurde jedoch bisher nur ein mal beobachtet. Was nicht heissen muss, dass es nie wieder vorkommt. Dennoch kann man annehmen, dass alles was ein mal vorkommt auch nochmals vorkommen sollte.
An keiner Stelle des Universums ist zum Beispiel eine ähnliche Konstellation zu sehen bei der die Linse stärker gegen das Hintergrundobjekt verschoben ist. Dies wäre jedoch wesentlich wahrscheinlicher als die Konstellation, die wir sehen können. Einsteinkreuze mit nur zwei oder drei Reflexionen sollten wesentlich häufiger sein als solche mit vier. Bisher wurden diese jedoch nicht gesichtet.
Entscheidender ist jedoch die Tatsache, dass alle Objekte, die als Gravitationslinse in Frage kommen entweder eine sphärische Masseverteilung haben oder scheibenförmige Galaxien sind. Im Zweifelsfall können es auch mehrere Schwarze Löcher sein, die um ein gemeinsames Gravitationszentrum rotieren. Aber auch Galaxien-Haufen kommen in Frage.
Der Gravitationseffekt des Einsteinkreuzes kommt aus dem Zentrum der Galaxie ZW 2237+030. Sehr deutlich ist auf Fotos die umgebende Galaxie zu sehen. D.h. Im Zentrum der Galaxie muss eine Massenverteilung existieren, die das Licht entsprechend beugt.
Um eine einzelne Lichtquelle in vier Teile zu brechen, die fast symmetrisch angeordnet sind bedarf es normalerweise eines Prismas. Eine wie auch immer geartete konkave oder konvexe Oberfläche eines optischen Mediums würde sofort zu einer deutlichen sichelartigen Verzerrung der Abbilder führen. Im Falle vom Einsteinkreuz ist jedoch bei allen vier Teilen nur mit Mühe eine Verzerrung zu sehen.
Eine mögliche Erklärung: Interferierende Gravitationswelle
Der Effekt, den man im Einsteinkreuz sehen kann hat eine frappierende Ähnlichkeit mit einer stehenden Welle Wassers in einem Gefäß, welches auf einer vibrierenden Oberfläche steht. Die viere Abbildungen des gleichen Objekts entsprechen dabei genau vier nahezu quadratisch angeordneten Wellenbergen aus der Interferenz von sich kreisförmig ausbreitenden Wellen.
Oberhalb und unterhalb der Mittelachse entstehen in dem Interferenzmuster immer wieder Rechtecke mit nahezu quadratischen Abmessungen. Sie brechen das Licht so, dass ohne signifikante Verzerrung vier Abbilder der gleichen dahinter liegenden Lichtquelle sichtbar sind. (Quelle en.wikipedia.org)
Diese rechteckig angeordneten Wellenberge entstehen jedoch nicht nur in der Ebene. Auch, wenn sich zwei massereiche Objekte vom Betrachter aus gesehen grade hintereinander befinden und sich schnell umeinander drehen, gibt es mögliche Interferenzmuster, die zu der vierfachen Abbildung ohne sichtbare Verzerrung führen können.
Auf der Basis dieses Ansatzes sollte es möglich sein, ein Szenario mit beteiligten Massen und der notwendigen Rotation dieser umeinander zu entwickeln. Darüber hinaus sollte sich das Bild relativ schnell verändern, da dieser Ansatz verlangt, dass die Massen schnell rotieren. Diese Rotation würde – wie in der Animation zu einer Verschiebung und im weiteren sogar zur Veränderung der Abbildungen führen.
Der bekannte Blogger Astro Bob versucht übrigens den Effekt mit Mustern zu erklären, die in der Natur häufiger vorkommen. Ein sehr merkwürdiger Ansatz, da wir es bei den Beispielen mit selbstreferentiellen Systemen zu tun haben. Eine Eigenschaft, die derzeit zumindest kein Physiker Photonen zusprechen würde.