Die Expansion des Universums mit Gravitationslinsen messen

Münchner Forschende verfolgen verschiedene Lichtwege einer durch Gravitationslinsen verzerrten Supernova, um die Expansionsrate des Universums zu messen

Mehrere helle Lichtpunkte im Weltraum vor dunklem Hintergrund.

Ein hochaufgelöstes Bild, aufgenommen mit dem Large Binocular Telescope auf dem Mount Graham in Arizona, USA, zeigt zwei Galaxien in gelb-rot und darum fünf Abbilder einer Supernova, die sich im Hintergrund befindet und deren Licht durch die geballte Gravitation der Vordergrundgalaxien auf fünf Bahnen zur Erde hin abgelenkt wurde.

Auf den Punkt gebracht

Expansion des Universums: Eine offenee Forschungsfrage der Kosmologie ist nicht ob, sondern wie sich das Universum ausdehnt. Es gibt verschiedene Methoden, um diese Expansion zu messen. Eine davon nutzt Sternexplosionen, also Supernovae. Diese sind hell genug und deren Physik gut genug bekannt, sodass die Entfernungen verschiedener im Raum verteilter Supernovae bis zu großen Entfernungen hin messbar sind.
Gravitationslinse: Münchner Forschende haben mit dem Large Binocular Telescope in Arizona gleich fünf Anbbilder ein und der selben Supernova in einem Bild eingefangen. Die geballte Gravitation zweier Vordergrundgalaxien haben das Licht einer weit im Hintergrund liegenden Supernova auf verschieden lange Wege zur Erde hin abgelenkt.
Messung des Hubble-Patemeters: Das Licht der fünf Abbilder war so unterschiedlich lang zur Erde unterwegs und hat unterschiedlich lange Wege genommen. So soll sich direkt die beschleunigte Expansionsrate des Universums messen lassen, ausgedrückt durch den sogenannten Hubble-Parameter.
Auflösung eines Konflikts: Diese Messung könnte einen Konflikt begraben: In der Vergangenheit wurden an Hand zweier Methoden zwei verschiedene Werte des Hubble Parameters gemessen, die sich aus bisher unbekannten Gründen nur knapp aber messbar unterscheiden.

Bei der Supernova handelt es sich um eine seltene, superleuchtkräftige Sternexplosion in rund zehn Milliarden Lichtjahren Entfernung, die weit heller ist als gewöhnliche Supernovae. Gleichzeitig ist sie noch aus einem weiteren Grund besonders: Durch den sogenannten Gravitationslinseneffekt erscheint dieselbe Explosion gleich fünfmal am Nachthimmel – wie ein kosmisches Feuerwerk. Zwei Vordergrundgalaxien krümmen das Licht der Supernova auf seinem Weg zur Erde und zwingen es, unterschiedliche Wege einzuschlagen. Weil diese Wege leicht unterschiedlich lang sind, erreicht das Licht uns zeitversetzt. Aus den Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern lässt sich die heutige Expansionsrate des Universums – die Hubble-Konstante – bestimmen.

Sherry Suyu, Professorin für Beobachtende Kosmologie an der TUM und Fellow am Max-Planck-Institut für Astrophysik, erklärt: „Wir haben diese Supernova SN Winny getauft – in Anlehnung an ihre offizielle Bezeichnung SN 2025wny. Es ist ein extrem seltenes Ereignis, das für unser Verständnis des Kosmos eine Schlüsselrolle spielen könnte. Die Wahrscheinlichkeit, eine superleuchtkräftige Supernova zu finden, die sich genau hinter einer Gravitationslinse befindet, liegt unter eins zu einer Million. Wir haben sechs Jahre damit verbracht, eine Liste vielversprechender Gravitationslinsen zusammenzustellen und dort nach einem solchen Ereignis zu suchen. Im August 2025 landeten wir mit SN Winny schließlich einen Treffer.“

Ein hochauflösendes Farbbild einer einzigartigen Supernova

Großes Teleskop unter einem Sternenhimmel.

Large Binocular Telescope on Mount Graham, Arizona, USA

Supernovae hinter Gravitationslinsen sind so selten, dass bislang nur wenige solcher Messungen versucht wurden. Ihre Genauigkeit hängt stark davon ab, wie gut man die Massen der Galaxien bestimmen kann, die als Linse wirken, denn diese entscheiden darüber, wie stark das Licht der Supernova abgelenkt wird. Um die Massen zu messen, nutzte das Team das Large Binocular Telescope in Arizona mit seinen zwei Spiegeln von je 8,4 Metern Durchmesser und einem adaptiven Optiksystem, das atmosphärische Unschärfen korrigiert. Das Ergebnis ist das einzige bislang veröffentlichte hochauflösende Farbbild dieses Systems.

Die Aufnahme zeigt die beiden Linsengalaxien im Zentrum sowie fünf bläuliche Abbilder der Supernova, die an ein explodierendes Feuerwerk erinnern. Das ist ungewöhnlich, denn Linsensysteme auf Galaxienskala erzeugen normalerweise nur zwei oder vier Abbilder. Mithilfe der Positionen aller fünf Abbilder erstellten die beiden Nachwuchswissenschaftler Allan Schweinfurth (TUM) und Leon Ecker (LMU) das erste Modell für die Massenverteilung der Linse.

„Wenn wir bisher Supernovae durch Gravitationslinsen gesehen haben, waren die Linsen zumeist massereiche Galaxienhaufen, deren Massenverteilungen komplex und schwer zu modellieren sind“, erklärt Allan Schweinfurth. „Für SN Winny besteht die Linse jedoch nur aus zwei einzelnen Galaxien. Wir finden insgesamt sehr glatte und regelmäßige Licht- und Massenverteilungen, was darauf hindeutet, dass diese Galaxien trotz ihrer scheinbaren Nähe zueinander bislang nicht miteinander kollidiert sind. Diese relative Einfachheit des Systems bietet eine hervorragende Gelegenheit, die Expansionsrate des Universums besonders präzise zu messen.“

Zwei Methoden, zwei sehr unterschiedliche Ergebnisse

Eine Gruppe von Menschen steht auf einem Dach neben einer großen, weißen Beobachtungsstation mit geöffneter Kuppel.

Die Mitglieder der SN Winny Research Group am Forschungscampus Garching (v.l.): Stefan Taubenberger, Allan Schweinfurth, Alejandra Melo, Elias Mamuzic, Sherry Suyu, Christoph Saulder, Roberto Saglia, Leon Ecker, Limeng Deng

Bislang stützen sich Forschende vor allem auf zwei Methoden zur Bestimmung der Hubble-Konstante – doch diese liefern widersprüchliche Ergebnisse. Dieses Rätsel ist als Hubble-Spannung bekannt. Die erste Methode ist lokal: Entfernungen zu Galaxien werden Schritt für Schritt bestimmt, ähnlich wie beim Erklimmen einer Leiter, bei dem jeder Schritt vom vorherigen abhängt – daher der Begriff kosmische Entfernungsleiter. Objekte mit bekannter Helligkeit, wie Supernovae in dem vorliegenden Fall, liefern Entfernungen, die anschließend mit den Fluchtgeschwindigkeiten der Galaxien verglichen werden. Da viele Kalibrierungsschritte nötig sind, können sich selbst kleine Fehler aufsummieren und das Endergebnis beeinflussen.

Die zweite Methode blickt weit in die Vergangenheit. Sie untersucht die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung – das schwache Nachleuchten des Urknalls – und nutzt Modelle des frühen Universums, um die heutige Expansionsrate zu berechnen. Dieser Ansatz ist sehr präzise, beruht jedoch stark auf Annahmen über die Entwicklung des Universums, die nicht unumstritten sind.

In einem Schritt zur Hubble-Konstante

Nun kommt eine dritte, unabhängige Methode ins Spiel: die Beobachtung einer Supernova durch eine Gravitationslinse. Stefan Taubenberger, Erstautor der Studie zur Identifikation von SN Winny, erklärt, dass sich aus den Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern der Supernova und der bekannten Massenverteilung der Linse die Hubble-Konstante direkt berechnen lässt: „Im Gegensatz zur kosmischen Entfernungsleiter ist dies eine Messung in einem Schritt mit weniger und völlig anderen Quellen systematischer Unsicherheiten.“

Astronominnen und Astronomen weltweit beobachten SN Winny derzeit intensiv mit bodengebundenen und weltraumgestützten Teleskopen. Ihre Ergebnisse werden entscheidende neue Erkenntnisse liefern und helfen, die langjährige Hubble-Spannung aufzuklären.

Die Expansion des Universums mit Gravitationslinsen messen

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