Einer der faszinierendsten Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins ist die Ablenkung von Lichtstrahlen durch schwere Massen. Wenn das Licht weit entfernter Galaxien auf seinem Weg zur Erde an einem massereichen Objekt – etwa einem Galaxienhaufen – vorbeizieht, wird es abgelenkt. Galaxien im Hintergrund erscheinen dadurch auf der Erde leicht verzerrt und gestreckt.
Genau diesen schwachen Gravitationslinseneffekt hat Tim Schrabback vom Institut für Astro- und Teilchenphysik gemeinsam mit einem internationalen Team nun erstmals mit Euclid-Daten präzise vermessen. Als Zielobjekt diente der massereiche Galaxienhaufen Abell 2390, der rund 2,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist und im Rahmen des Euclid Early Release Observations-Programms beobachtet wurde.
Formvermessung von Tausenden Galaxien
Da das unverzerrte Aussehen von Galaxien unbekannt ist, lässt sich aus der Beobachtung einer Galaxie allein keine Verzerrung ableiten. Stattdessen analysierte das Forschungsteam die Formen von Tausenden von Galaxien gleichzeitig. Gravitationsbedingte Verzerrungen zeigen sich dabei als schwache, aber messbare Verformung der Galaxien tangential zum Zentrum der Masse. Um die Robustheit ihrer Ergebnisse sicherzustellen, setzte das Team um Schrabback gleich drei unabhängige Algorithmen zur Formvermessung ein, deren Resultate gut übereinstimmten.
Für die Auswahl der relevanten Hintergrundgalaxien kombinierten die Wissenschaftler:innen die Euclid-Bilder mit ergänzenden Beobachtungen des Subaru-Teleskops auf Hawaii. Mithilfe photometrischer Rotverschiebungen konnten sie sicherstellen, dass primär Objekte hinter dem untersuchten Galaxienhaufen in die Analyse einflossen.
Karte der Dunklen Materie
Aus der gemessenen Verzerrung rekonstruierte das Team die Massenverteilung innerhalb von Abell 2390. Der weitaus größte Teil dieser Masse – und damit der Schwerkraft, die das Licht ferner Galaxien verzerrt – geht auf Dunkle Materie zurück. Diese absorbiert oder sendet keine elektromagnetische Strahlung aus und bleibt deshalb für herkömmliche Teleskope unsichtbar. Das 2023 gestartete Weltraumteleskop Euclid macht die Dunkle Materie indirekt sichtbar, indem es die Gravitationswirkung auf das Licht ferner Galaxien vermisst.
„Unsere Studie hat gezeigt, dass dieser Galaxienhaufen etwa 1,5 Billiarden mal schwerer ist als unsere Sonne. Dieses Ergebnis stimmt mit früheren Untersuchungen des Galaxienhaufens überein, ist aber deutlich präziser dank der tiefen und scharfen Euclid-Bilder“, resümiert Tim Schrabback.
Euclids einzigartiges Potenzial
Das Besondere an Euclid liegt in der Kombination aus außerordentlicher Schärfe und riesigem Gesichtsfeld. Da das Teleskop außerhalb der Erdatmosphäre operiert, bleibt es von deren bildverzerrenden Einflüssen verschont. Sein Gesichtsfeld ist 180-mal größer als jenes des Hubble-Weltraumteleskops. Die im Rahmen der Pilotstudie analysierten Beobachtungen von Abell 2390 decken dabei weniger als 0,004 Prozent der Himmelsfläche ab, die Euclid im Verlauf seiner Gesamtmission erfassen soll.
„Es gibt ein riesiges wissenschaftliches Potenzial in den kommenden Jahren“, freut sich Tim Schrabback. Die Ergebnisse dieser ersten Demonstrationsstudie ebnen den Weg für die großangelegten kosmologischen Analysen, mit denen Euclid ab 2027 das Wachstum kosmischer Strukturen über die Weltgeschichte hinweg verfolgen und so neue Erkenntnisse über das Wesen von Dunkler Materie und Dunkler Energie liefern soll.
Von der Innsbrucker Arbeitsgruppe um Tim Schrabback waren neben Laila Linke und Sebastian Grandis insbesondere auch zwei Nachwuchsforscher, Henning Jansen und Florian Kleinebreil, maßgeblich an der Studie beteiligt. Die Forschungsarbeit wurde unter anderem über das österreichische Weltraumprogramm durch die Forschungsförderungsgesellschaft FFG sowie den österreichischen Wissenschaftsfond FWF gefördert. An der Universität Innsbruck ist auch die Arbeitsgruppe um Francine Marleau maßgeblich an der Euclid-Mission beteiligt.
Publikation: Euclid: Early Release Observations – Weak gravitational lensing analysis of Abell 2390. T. Schrabback et al. Astronomy & Astrophysics 2026, 708, A345. DOI: 10.1051/0004-6361/202556310