Sternengeschichten Folge 437: Icarus und das Licht der fernsten Sterne

Ich seh, ich seh, was man eigentlich nicht sehen kann

Sternengeschichten Folge 437: Icarus und das Licht der fernsten Sterne

"Icarus" ist der Spitzname eines Sterns, der offiziell die Bezeichnung "MACS J1149 Lensed Star 1" trägt. Das klingt ein wenig unhandlich, ist aber tatsächlich relevant für die heutige Geschichte. Bleiben wir aber vorerst trotzdem noch bei "Icarus". Dieser Stern befindet sich nicht in unserer Nähe. Er befindet sich nicht einmal in der Milchstraße. Er gehört zu einer ganz anderen Galaxie, weit, weit draußen im Universum. Wir haben das Licht von Icarus das erste Mal im Jahr 2013 mit dem Spiegel eines Teleskops aufgefangen. Bis wir verstanden hatten, was da eigentlich abgeht, hat es aber noch 5 weitere Jahre gedauert. Das war allerdings nicht tragisch; es gab keinen Grund zur Eile. Immerhin war das Licht des Sterns zuvor schon mehr als 9 Milliarden Jahre lang durch das Universum unterwegs gewesen. Das bedeutet, dass es sich um ein EXTREM weit entferntes Objekt handelt. Übrigens bedeutet es nicht, dass der Stern 9 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Als das Licht, das wir 2013 gesehen haben, sich vor 9 Milliarden Jahren auf den Weg gemacht hatte, war das Universum entsprechend jünger, nämlich erst knapp 5 Milliarden Jahre alt. Und weil es sich seit dem Urknall beständig ausdehnt, war es früher auch noch kleiner; es war damals nicht einmal halb so groß wie es heute ist. Während das Licht von Icarus also durch den Kosmos strahlte, hat der sich ausgedehnt. Die Sonne und mit ihr die Erde gab es damals noch gar nicht, aber die Distanz zwischen dem Ort, an dem sie einmal entstehen sollte und Icarus wurde im Laufe der Zeit immer größer und größer. Es hat 9 Milliarden Jahren gedauert, bis es uns eingeholt hat und der Weg, den es dabei zurück gelegt hat ist demnach auch viel größer als 9 Milliarden Lichtjahre.

Das ist alles ein wenig knifflig, hat aber auch eigentlich nichts mit dem Thema zu tun. Die eigentlich relevante Frage lautet ja: Wie um Himmels Willen können wir einen EINZELNEN STERN sehen, der so absurd weit entfernt ist? Wir schaffen es gerade mal, ein paar Sterne in unserer Nachbargalaxie, der Andromeda, aufzulösen. Und die ist nur 2,5 Millionen Lichtjahre weit weg. Bei den entfernteren Galaxien haben wir keine Chance, irgendwelche Einzelobjekte zu sehen - wie ist uns das nun bei Icarus gelungen? Durch Zufall und dank Albert Einstein. Beziehungsweise durch seine Erkenntnisse über das Universum. Und immer noch durch Zufall. Jetzt kommen wir auch zurück zur offiziellen Bezeichnung von Icarus: MACS J1149 Lensed Star 1. Der erste Teil - MACS J1149 - ist die Bezeichnung eines Galaxienhaufens, beziehungsweise die Kurzversion, mit vollem Namen heißt er MACS J1149.5+2223. Der zweite Teil "Lensed Star 1" sagt uns, wie man den Stern gefunden hat. Um das zu verstehen müssen wir aber erst einen kurzen Ausflug in die Welt der Gravitationslinsen machen.

Das habe ich ja schon in Folge 274 ausführlich erklärt. Das Prinzip ist eigentlich recht simpel: Albert Einstein hat in seiner berühmten Allgemeinen Relativitätstheorie die Gravitation als Krümmung in der Raumzeit beschrieben. Jede Masse krümmt den Raum und Lichtstrahlen folgen dieser Krümmung. Anders gesagt: Eine Masse - ein Stern, ein Planet, eine Galaxie - kann den Weg des Lichts verändern, das in der Nähe vorbei kommt. Das ist nichts anderes als auch bei einer normalen Linse aus Glas oder einem Spiegel passiert: Auch hier wird der Weg von Lichtstrahlen verändert. Das nennt sich "Optik" und wer eine Brille trägt profitiert davon genau so, wie die Astronomie bei der Benutzung eines Teleskops, die Leute die ins Kino gehen und dort einen Film auf die Leinwand projiziert bekommen, und so weiter. Ist man in der Lage, die Ausbreitungsrichtung von Licht zu manipulieren, kann man damit alle möglichen tolle Dinge anstellen. Man kann Licht verstärken, Mehrfachbilder erzeugen, und so weiter. Und alles was die klassischen Linsen können, können auch Objekte im Weltall dank ihrer Masse.

Wenn zum Beispiel das Licht eines fernen Sterns in Richtung Erde strahlt, kann es unterwegs auf eine Galaxie treffen. Die lenkt den Lichtstrahl mit ihrer gewaltigen Masse um. Das kann dazu führen, dass MEHR Licht des Sterns in unsere Richtung gelangt als ohne diese Gravitationslinse. Sternenlicht, das ansonsten irgendwo weit entfernt an uns vorbei gestrahlt wäre, wird durch die Galaxie genau so umgelenkt, dass es doch die Erde trifft. Eine Gravitationslinse kann das Licht eines hinter ihr liegenden Objekts also verstärken. Bevor wir jetzt zu Icarus kommen, schauen wir aber noch kurz auf den Zufall. Hinter dem steckt in diesem Fall nämlich auch eine sehr coole Geschichte.

Der Galaxienhaufen MACS J1149.5+2223 wurde schon länger von der Astronomie beobachtet. Dabei ist den Forscher:innen etwas aufgefallen, dass man "Einstein-Kreuz" nennt. So etwas entsteht, wenn das Licht eines Objekts - in dem Fall einer Galaxie - durch eine Gravitationslinse mehr als einmal abgelenkt wird. Zum Beispiel einmal links rum, einmal rechts rum, einmal oben rum und einmal unten rum - vereinfacht gesagt natürlich. Auf jeden Fall aber kann eine Gravitationslinse ein Mehrfachbild eines Objekts erzeugen und das war hier der Fall. Was man damals gesehen hatte, war aber nicht nur ein Mehrfachbild einer Galaxie, sondern einer, in der gerade eine Supernovaexplosion stattgefunden hatte. Diese Ereignisse, bei denen große Sterne am Ende ihres Lebens explodieren, sind so hell, dass man sie auch weit entfernt und ohne Gravitationslinse sehen kann. In dem Fall hat man aber trotzdem genauer hingeschaut. Denn das hat sich ja alles in einem Galaxienhaufen abgespielt. Da gab es jede Menge potentielle Gravitationslinsen und das Licht der Supernova konnte auf sehr viele Arten abgelenkt werden. Dabei nahm es nicht nur unterschiedliche, sondern auch unterschiedlich lange Wege. Was nichts anderes heißt als: Wir sehen die Mehrfachbilder nicht alle gleichzeitig, sondern sie tauchen je nach Lichtweg zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf. Die Details sind kompliziert und voller Mathematik, aber es läuft darauf hinaus, dass man damals eine Vorhersage machen konnte, dass die Supernova zu einem bestimmten Zeitpunkt erneut sichtbar werden sollte. Die Gravitationslinsenanordnung im Galaxienhaufen hat quasi für eine Wiederholung gesorgt. Und das wollte man sich natürlich anschauen.

Was an sich schon eine sehr coole Geschichte ist; aber eben nur das Zufallselement in der speziellen Geschichte von Icarus darstellt. Denn das Licht dieses Sterns fand eben zufällig, als man gerade auf der Suche nach der wiederholten Supernova war (die übrigens tatsächlich am 11. Dezember 2015 zu sehen war). Das war etwas überraschend, denn in solch einer Distanz rechnet niemand damit, das Licht eines Einzelsterns im Teleskop einfangen zu können. Aber es war schnell klar, dass man das Ereignis einer Gravitationslinse zu verdanken hatte. Wir sind damit aber noch lange nicht fertig. Wie die Geschichte der Supernova-Wiederholung zeigt, sind wir recht gut darin, auszurechnen, wie eine Gravitationslinse wirkt. Und in diesem Fall hätte der Galaxienhaufen im Schnitt eigentlich nur für eine circa 50fache Verstärkung des Sternenlichts sorgen dürfen. Immer noch zu wenig, um einen so fernen Stern sehen können.

Um die Geschichte zu Ende zu erzählen, brauchen wir noch zwei Schritte. Zuerst einmal braucht es Glück. Nicht nur den Zufall der Entdeckung an sich, sondern auch noch das Glück, dass sich Icarus in Bezug auf die Gravitationslinse in einer sehr speziellen Position befunden hat. Das kann man wieder mit einer Brille vergleichen: Wenn einem die ein wenig an der Nase hinab rutscht, sieht man auch nicht mehr so gut damit wie wenn sie in der korrekten Position vor den Augen sitzt. Und Icarus befand sich nahe an der Position in der Gravitationslinse ihre optimalste Wirkung entfalten kann. Das reichte für eine 2000fache Verstärkung seines Lichts und damit schon aus, um ihn für uns sichtbar zu machen. Im Mai 2016 wurde der Stern aber dann NOCH mal um circa das Vierfache heller; nur für kurze Zeit, aber immerhin. Grund dafür war eine zusätzliche Gravitationslinse: Ein Objekt ganz in der Nähe von Icarus, also eines, das sich in der gleichen Galaxie befindet wie der Stern, hat sich ebenfalls noch in den Weg des Lichts geschoben. Und so wie man bei einem optisches Teleskop unterschiedliche Linsen kombinieren kann, um eine noch bessere Verstärkung und Vergrößerung zu erreichen, haben auch hier die unterschiedlichen Gravitationslinsen dafür gesorgt, das ein Stern für uns sichtbar wurde, den wir eigentlich gar nicht sehen hätten sollen.

Die Beobachtung von Icarus ist aus mehrfacher Hinsicht eine sehr coole Sache. Man kann aus den Daten ja nicht nur Informationen über den Stern selbst bekommen, sondern auch über die Linsen. Wir wissen nicht, was die zweite, kurze Verstärkung im Mai 2016 verursacht hat. Aber es muss ein kleines und dichtes Objekt gewesen sein. Ein Stern zum Beispiel oder ein schwarzes Loch. Das ist spannend, weil wir damit einen WEITEREN Weg haben, Informationen über enorm weit entfernte Einzelobjekte zu erlangen. Und nicht nur enorm weit entfernte: Wir reden hier ja über Objekte, die alle im sehr frühen Universum existieren. Wir können durch solche Beobachtungen also auch rausfinden, was da im Kosmos rumgeschwirrt ist, als das Universum noch jung war. Das kann uns viel darüber verraten, wie das Universum entstanden ist, wie es sich entwickelt hat, und so weiter.

Es ist aber auch interessant, sich Icarus selbst anzusehen. Viele Informationen kann man nicht kriegen, immerhin ist es ja immer noch ein sehr, sehr weit entferntes Objekt. Aber man weiß zumindest, dass es sich um einen blauen Riesenstern handeln muss. Solche Sterne haben eine Lebensdauer von nur ein paar hundert Millionen Jahren. Das heißt, dass Icarus schon längst verschwunden war, als sein Licht bei uns angekommen ist. Wir beobachten also das quasi geisterhafte Leuchten eines Sterns, der gar nicht mehr existiert, den wir auch eigentlich nicht sehen können sollten - aber dank eines sich durchs halbe Universum erstreckenden Teleskops aus Galaxienhaufen trotzdem sehen können. Astronomie ist immer wieder beeindruckend.