US-amerikanische Astronomen haben mit den Weltraumteleskopen Hubble und Spitzer eine extrem weit entfernte Galaxie entdeckt [1]. Die Galaxie mit der Bezeichnung A1689-zD1 befindet sich im Himmelsfeld des Galaxienhaufens Abell 1689. Sie ist so weit entfernt, dass ihr Licht aus aus einer Epoche von etwa 700 Millionen Jahre nach dem Urknall kommt. Bei diesen extremen Entfernungen macht sich die Ausdehnung des Universums stark bemerkbar: die Lichtwellen werden durch den expandierenden Kosmos so sehr auseinander gezogen, dass sie nur bei sehr großen Wellenlängen im Bereich des Infraroten beobachtbar sind. Daher mussten die Infrarotinstrumente NICMOS (am Weltraumteleskop Hubble) und das Weltraumteleskop Spitzer benutzt werden.
 
Entfernungsrekord? Nein.
In den bisherigen Pressemitteilungen wurde nur bei derjenigen von der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft (AAS) eine kosmologische Rotverschiebung [2] angegeben, nämlich z = 7,6 [3]. Damit ist klar, dass die neu entdeckte Galaxie keinen neuen Entfernungsrekord darstellt. Bislang wird dieser von einer Galaxie von z = 10 gehalten, die 2004 entdeckt wurde [4].

Materie vor der Galaxie verstärkte das Licht
Zur Entdeckung solch extrem weit entfernter Objekte machen sich die Astronomen einen eleganten Trick zunutze, der nur mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu erklären ist: Massen krümmen Lichtstrahlen. Befindet sich nun vor der entfernten Galaxie eine Massenkonzentration (z.B. ein Galaxienhaufen) entlang unserer Sichtlinie, so wird das Licht der dahinter liegenden Galaxie um die Masse herum gebogen. Damit wird auch die Lichtintensität verstärkt. Gewissermaßen funktioniert der Galaxienhaufen wie ein natürliches, riesiges Brennglas. Genau das wurde bei beiden Beobachtungen (sowohl bei Bradley et al., als auch bei Pello et al.) benutzt. In der Fachsprache wird die auf diese Weise fungierende Massenkonzentration Gravitationslinse genannt [4]. Im aktuellen Fall A1689-zD1 wurde die Infrarotstrahlung der entfernten Galaxie um den Faktor 10 verstärkt. Entfernte dunkle Objekte werden so astronomisch sichtbar.

Ausblick
Die elegante Gravitationslinsen-Methode wird sicher zum Auffinden weiterer entfernter Galaxien führen. Es wird spannend sein, ob der Entfernungsrekord von z = 10 bald übertrumpft wird, und die Astronomen sich so immer mehr an die ersten entstandenen Galaxien im Universum herantasten werden.

Quellen:
[1] Pressemitteilung, HST-Website (englisch)
[2] Astronomiewissen, Lexikoneintrag Rotverschiebung
[3] Veröffentlichung bei der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft von Bradley et al. (englisch)
[4] Publikation in Astronomy & Astrophysics von Pello et al. A&A 416, L35, 2004 (englisch)
[5] Astronomiewissen, Lexikoneintrag Gravitationslinse

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Einsteins Formel
Die berühmteste Gleichung der Welt, E = mc², wurde 1905 von Albert Einstein entdeckt. Sie besagt: Masse m ist äquivalent zu Energie E. Da das Quadrat der Vakuumlichtgeschwindigkeit c² eine unglaublich große Zahl ist, steckt schon in kleinen Massen wie Elementarteilchen eine sehr große Energiemenge. Diese Ruheenergie wird technologisch in Kernkraftwerken und hoffentlich bald auch in Fusionskraftwerken ausgenutzt.
 
Antimaterie entsteht, Antimaterie zerstrahlt
In der Natur ist es an der Tagesordnung, dass sich aus hochenergetischer, elektromagnetischer Strahlung Teilchenpaare bilden. Diese Paare bestehen aus einem Teilchen und seinem zugehörigen Antiteilchen. Umgekehrt verhält es sich so, dass Antimaterie im Kosmos sofort mit der dazu passenden "normalen" Materie vernichtet wird, falls sich die beiden komplementären Materieformen zu nahe kommen. Dabei wird aufgrund des Energie- und Impulserhaltungssatzes die Ruheenergie der Teilchen in zwei Lichtquanten umgewandelt. Beide Phänomene fassen die Physiker unter den Begriffen Paarbildung und Paarvernichtung (Annihilation) zusammen. Ein Beispiel: Ein (negativ geladenes) Elektron hat eine Ruhemasse von 511 keV. Es trifft beim kosmischen Spaziergang auf ein (positiv geladenes) Positron, dem Antiteilchen des Elektrons, das ebenfalls eine Ruheenergie von 511 keV hat. Diese Begegnung wird zur Vernichtungsschlacht, in der die Teilchen sich gegenseitig auslöschen, dafür aber zwei Lichtquanten mit je 511 keV Energie entstehen. Diese Strahlung ist sehr energiereich, mehr noch als die sehr durchdringenden Röntgenstrahlung, und sie liegt im Bereich der Gammastrahlung. Gammastrahlung ist auch auf der Erde bekannt, aber hier entsteht sie u.a. als Form der natürlichen Radioaktivität im Gammazerfall.

Die astronomische Beobachtung
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching bei München führten Beobachtungen mit dem europäischen Gammateleskop Integral durch. Dieses Teleskop umkreist die Erde oberhalb der Atmosphäre, damit die Gammastrahlung gemessen werden kann. Denn die Erdatmosphäre ist (zum Glück für ihre Bewohner) ein natürliches Schutzschild für hochenergetische Röntgen- und Gammastrahlung. Die Astronomen beobachteten mit Integral die Gammastrahlung bei 511 keV am ganzen Himmel. Dabei stellten sie um das Zentrum der Milchstraße besonders intensive Vernichtungsstrahlung dieser Energie im Gammabereich fest.

Woher kommt die Strahlung aus dem Zentrum unserer Heimatgalaxie?
Die erstaunliche Entdeckung der Max-Planck-Forscher ist, dass bestimmte Doppelsternsysteme (low-mass X-rax binaries, kurz LMXBs, siehe Link unten) in diesem Himmelsareal, nämlich um den Mittelpunkt der Milchstraße herum, besonders häufig vorkommen. Die räumliche Verteilung von der 511-keV-Strahlung und den Doppelsternsystemen ist nahezu identisch!
Bei den Doppelsternen handelt es sich um Röntgendoppelsterne. Bei diesen Sternpaaren tritt Materie von einem normalen Stern zu seinem Begleitstern über. Das Aufregende ist, dass im Prinzip dieser Begleitstern den anderen "auffrisst", weil er entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch ist. Beim Auffressen des Nachbarsterns bildet sich eine charakteristische Materiescheibe aus, in der das Material auf den Neutronenstern oder das Schwarze Loch in einer Rotationsbewegung einfällt. In diesen so genannten Akkretionsscheiben wird das Gas sehr heiß. Dabei wird hochenergetische Strahlung frei, die über Paarbildung Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, produziert. Elektronen und Positronen fliegen nun aus dem Doppelsternsystem heraus.

Und dann? Antimaterie wie die Positronen sind im Kosmos in der Unterzahl. Sie sehen sich einer Mehrheit "normaler" Teilchen gegenüber. Als Konsequenz treffen die Positronen auf die vielen Elektronen, die sich im interstellaren Medium um das Doppelsternsystem befinden. Jetzt geschieht wieder der umgekehrte Vorgang: Elektronen und Positronen vernichten sich und bilden um den Doppelstern herum einen Schimmer von Vernichtungsstrahlung der Energie 511 keV - Gammastrahlung. Die Emissionen der vielen Röntgendoppelsternsysteme im Zentrum der Milchstraße überlappen und erzeugen so den hellen Fleck der Vernichtungsstrahlung auf der Himmelskarte, den die Forscher mit Integral entdeckten. Das ist die nun favorisierte Interpretation.

Alternative Szenarios
Die Physiker diskutieren auch andere kosmische Positronenquellen neben den Röntgendoppelsternen. So entstehen Positronen bei der natürlichen Radioaktivität im Kosmos (Betazerfall). Besonders viele Positronen werden auf diese Weise in Sternexplosionen erzeugt.

Auch bei der Vernichtung bestimmter Formen von Dunkler Materie kann es zur Erzeugung von Positronen kommen. Die neuen Integral-Beobachtungen sprechen nun dafür, dass akkretierende, kompakte Objekte die Positronenquellen sind, die sich durch die charakteristische Vernichtungsstrahlung verraten. Heute erschien die entsprechende Veröffentlichung der Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in der renommierten Fachzeitschrift Nature.

Fazit
Einsteins Kosmos ist allgegenwärtig: Die Ruhemassen können gemäß der speziell relativistischen Formel E = mc² in Strahlung verwandelt werden und umgekehrt. Kompakte Objekte wie Neutronensterne und Schwarze Löcher sind nur durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie von 1916 mathematisch zu beschreiben. Und auch die Antimaterie hat einen Bezug zu Einstein: Die Dirac-Theorie, die die Positronen adäquat beschreibt, resultiert aus der speziell relativistischen Quantenmechanik. Sie begründet auch die Teilcheneigenschaft Spin. Astronomische Beobachtungen bestätigen hundert Jahre nach Einsteins revolutionären Entdeckungen abermals, dass das Weltall relativistisch ist.

Quellen:
[1] Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft
[2] Nature 451, 159-162 (10 January 2008), Weidenspointner et al.
[3] Astronomiewissen, Lexikoneintrag LMXB

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Das Universum verändert sich, denn es dehnt sich aus. Im Alltag merkt man das nicht; nicht auszudenken, wenn der Vermieter am Monatsende die übliche Mieterhöhung damit begründet, dass die Wohnung aufgrund der Expansion des Universums größer geworden sei und damit mehr koste. Zum Glück ist der Kosmos ein relativ steifes Gebilde und die Expansion nicht besonders ausgeprägt. Selbstverständlich verhindert das keine Mieterhöhungen, aber es vermeidet zusätzliche ... » weiter

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72 Millionen Stundenkilometer - das ist sicherlich eine Geschwindigkeit, bei der Schumi neidisch im Rückspiegel zurückbleibt. Mit solch unvorstellbar großer Geschwindigkeit sausen Lithium-Ionen durch einen Ring am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. Es hat seinen Preis, dass die Teilchen Schumi in dieser Maßlosigkeit deklassieren: die Zeit dehnt sich, d.h. während beim Teilchenbeobachter 10 Sekunden vorstreichen, vergehen bei den Teilchen tatsächlich 10,02 Sekunden. Gut, zwanzig Millisekunden Unterschied sind nicht viel für einen Marathonläufer - aber für einen 100-Meter-Sprinter sind es Welten. Zwanzig Millisekunden Unterschied sind auch viel, wenn man doch als Mensch des Alltags die Zeit als absolut erlebt, die scheinbar nicht vom Bewegungszustand abhängt. » weiter

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