Einfach erklärt
Das Weltraumteleskop Euclid hat Bilder und Messungen von Hunderten Millionen Galaxien gesammelt. Damit können Forschende eine dreidimensionale Karte des Universums erstellen und untersuchen, wie sich seine Materie verteilt. Besonders hilfreich sind Galaxien, deren Licht durch die Schwerkraft anderer Himmelskörper verzerrt wird. Die Daten sind noch keine fertige Karte, aber eine wichtige Grundlage für viele neue Fragen.
Das europäische Weltraumteleskop Euclid hat einen großen Teil seiner Daten veröffentlicht. Damit geht die Mission über einzelne Himmelsausschnitte hinaus und nimmt ein viel größeres Gebiet des Kosmos in den Blick. Entscheidend ist nicht nur die Zahl der Bilder: Forschende können damit sehr viele Galaxien miteinander vergleichen, ihre Ansammlungen untersuchen und nach Spuren der Schwerkraft suchen, die das Licht weit entfernter Objekte verformt. Aus solchen Vergleichen könnte ein genaueres Bild davon entstehen, wie Materie im Universum verteilt ist und wie sich diese Verteilung im Laufe der Zeit entwickelt hat.
Eine Himmelsdurchmusterung, die weit mehr als schöne Bilder liefert
Euclid startete im Juli 2023. An Bord ist eine Kamera für sichtbares Licht mit einer Auflösung von rund 600 Megapixeln. Mit ihr hat das Teleskop annähernd eine Milliarde Himmelsobjekte aufgenommen. Dazu gehören mehr als 900 Millionen Galaxien und etwa 60 Millionen Objekte, bei denen es sich möglicherweise um Quasare handelt. Quasare sind extrem helle Zentren von Galaxien. Ihr Licht entsteht durch sehr heißes Gas, das in ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie hineinstürzt.
Diese Zahlen zeigen, wie umfangreich die Beobachtungen sind. Sie bedeuten aber nicht, dass jedes Objekt bereits genau verstanden oder eindeutig eingeordnet wurde. Auch die als mögliche Quasare erfassten Objekte müssen noch untersucht und überprüft werden. Und allein die Tatsache, dass eine Galaxie auf einem Bild zu sehen ist, verrät noch nicht, wie ihre Geschichte verlief oder wo genau sie innerhalb der kosmischen Strukturen liegt. Der wissenschaftliche Wert der Durchmusterung entsteht vor allem dadurch, dass die Messungen gemeinsam ausgewertet werden: Forschende vergleichen die Formen und Helligkeiten der Galaxien sowie ihre Verteilung über riesige Himmelsgebiete.
Die zusammengetragenen Daten umfassen mehr als 1,7 Millionen Gigabyte. Carol Mundell, Wissenschaftsdirektorin der Europäischen Weltraumorganisation ESA, bezeichnete die Veröffentlichung als eine Weltraumdurchmusterung von außergewöhnlicher Größe, die neue Möglichkeiten für die astronomische Forschung eröffnet. Praktisch bedeutet diese Datenmenge, dass den Forschenden reichhaltiges Material für Analysen zur Verfügung steht – und nicht bloß eine ausgewählte Sammlung besonders eindrucksvoller Bilder. Je größer das erfasste Gebiet, desto mehr Objekte lassen sich untersuchen und desto besser können unterschiedliche Regionen des Himmels miteinander verglichen werden.
Wenn die Schwerkraft zur kosmischen Linse wird
Eine Erscheinung macht Euclids Daten besonders wertvoll: der sogenannte Gravitationslinseneffekt. Zieht das Licht einer weit entfernten Galaxie auf seinem Weg zu uns in der Nähe eines massereichen Objekts vorbei, verändert dessen Schwerkraft die Bahn des Lichts. Es wird abgelenkt. Sind das vordere Objekt, die Hintergrundgalaxie und die Beobachtenden günstig zueinander ausgerichtet, kann die Galaxie heller erscheinen oder verzerrt und in die Länge gezogen wirken. Die natürliche Linse kann so ein Objekt sichtbar machen, das ohne diesen Effekt schwächer leuchten oder schwieriger zu beobachten sein würde.
Eine passende Ausrichtung kommt nicht überall vor. Starke Gravitationslinsen sind deshalb selbst in einer groß angelegten Himmelsdurchmusterung selten. Trotzdem hat Euclid rund 15.000 mögliche Fälle starker Gravitationslinsen entdeckt. Das Wort „möglich“ ist dabei wichtig: Die Zahl bezeichnet Fälle, die genauer untersucht werden sollten, nicht eine endgültig bestätigte Entdeckung in jedem einzelnen Fall. Die große Sammlung gibt Astronominnen und Astronomen einen Ausgangspunkt, um besonders vielversprechende Beispiele auszuwählen und im Detail zu untersuchen.
Der Nutzen einer Gravitationslinse beschränkt sich nicht darauf, entfernte Objekte besser sichtbar zu machen. Die Verzerrung des Lichts einer Hintergrundgalaxie enthält auch Informationen über die Schwerkraft, die auf das Licht gewirkt hat – und damit über die Masse, die zwischen uns und der Galaxie verteilt ist. Anhand solcher Spuren lässt sich Dunkle Materie untersuchen. Sie ist mit den üblichen Methoden nicht direkt zu sehen; auf ihre Existenz schließen Forschende aus ihrer Wirkung auf die Schwerkraft. Bilder von Gravitationslinsen helfen somit dabei, Hinweise auf etwas zu gewinnen, das im Licht selbst nicht sichtbar ist.
Scott Gaudi, Astronom an der Ohio State University, findet die große Zahl möglicher Linsen, die Euclid aufgespürt hat, geradezu erstaunlich. Er ist nicht an der Mission beteiligt. Gaudi erklärt jedoch, dass sich anhand der durch Gravitationslinsen verursachten Verzerrungen die Masse der Strukturen im Vordergrund abschätzen lässt – einschließlich der Dunklen Materie. Um solche Veränderungen klar zu erkennen, sind außerdem Beobachtungen mit hoher Auflösung nötig. Erst anhand der feinen Einzelheiten im Bild der Hintergrundgalaxie lässt sich erkennen, welche Veränderungen durch die Schwerkraft verursacht wurden und wie die Galaxie ursprünglich aussah.
Euclid und Roman: zwei Missionen, die sich ergänzen
Euclid wird nicht das einzige Teleskop sein, das Gravitationslinsen nutzt. Auch das Nancy Grace Roman Space Telescope soll weit entfernte Objekte mithilfe dieses Effekts aufspüren. Es arbeitet mit Instrumenten, die Infrarotstrahlung messen. Euclid dagegen konzentriert sich auf sichtbares Licht und darauf, große Teile des Himmels zu erfassen. Weil die Teleskope unterschiedliche Wellenlängen untersuchen und den Himmel auf verschiedene Weise durchmustern, ergänzen sich ihre Missionen, statt einfach dieselben Beobachtungen zu wiederholen.
Gaudi zufolge ist Euclid vor allem darauf ausgerichtet, ein möglichst großes Himmelsgebiet abzudecken. Roman wird dagegen dieselben Regionen wiederholt aufnehmen, jeweils mit unterschiedlichen Drehwinkeln und verschiedenen Filtern. So lassen sich die umfangreiche Stichprobe von Euclid und die gezielteren, genaueren Untersuchungen bestimmter Gebiete durch Roman miteinander verbinden. Wenn Astronominnen und Astronomen weitreichende Ergebnisse anhand detaillierter Daten einer anderen Mission überprüfen können, lässt sich besser beurteilen, wie belastbar die Schlussfolgerungen sind. Sie müssen sich dann nicht auf eine einzige Art der Beobachtung verlassen.
Besonders wichtig ist dieser Vergleich bei der Erforschung der Dunklen Materie und der Dunklen Energie. Beide spielen eine zentrale Rolle dabei, das Universum zu verstehen. Die hier vorgestellten Daten liefern allerdings noch keine endgültigen Antworten. Sie stellen vielmehr Werkzeuge und Beobachtungsstichproben bereit, mit denen sich Ideen zu diesen Themen prüfen lassen. Die Untersuchung des abgelenkten Lichts, der Galaxienverteilung und der Unterschiede zwischen sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung könnte neue Hinweise liefern und die möglichen Erklärungen weiter eingrenzen.
Von Galaxienhaufen zur dreidimensionalen Karte
Die neue Datenveröffentlichung enthält außerdem umfangreiche Informationen über Galaxienhaufen. Das sind Ansammlungen vieler Galaxien, die innerhalb großräumiger kosmischer Strukturen nahe beieinanderliegen. Wenn Forschende die Positionen dieser Galaxien und ihre Gruppierung miteinander vergleichen, können sie nachvollziehen, wie sich Materie im Universum angeordnet hat. Die Untersuchung solcher Haufen hilft dabei, Vorstellungen darüber zu prüfen, wie die ersten Strukturen nach dem Urknall entstanden und gewachsen sind. Dafür reicht es nicht, eine einzelne Galaxie zu betrachten: Entscheidend sind die Beziehungen zwischen sehr vielen Galaxien.
Euclid soll Astronominnen und Astronomen dabei helfen, die Positionen der Galaxien zueinander zu bestimmen. Gelingt das in großem Maßstab, lässt sich eine umfassende dreidimensionale Karte des Universums erstellen. Gemeint ist damit keine flache Zeichnung des Himmels. Werden auch Entfernungen und räumliche Beziehungen berücksichtigt, können Forschende die Verteilung der Galaxien in der Tiefe erfassen. Die Daten verbinden so den Anblick des Himmels, wie wir ihn von der Erde aus sehen, mit der Struktur, in der die Himmelsobjekte im Weltraum angeordnet sind.
Die große Abdeckung ist auch deshalb wichtig, weil alte und seltene Galaxienhaufen nicht unbedingt in einem kleinen Himmelsausschnitt auftauchen. Barbara Sartoris, Astrophysikerin am Laboratoire Joseph-Louis Lagrange in Frankreich, weist darauf hin, dass die Kombination aus einem Blick in weit zurückliegende Zeiten und der Beobachtung großer Gebiete Stichproben alter Galaxienhaufen ermöglicht, die zuvor nicht in diesem Umfang verfügbar waren. In den kommenden Monaten können Forschende diese Haufen untersuchen, um herauszufinden, wie sie gewachsen sind und welche Rückschlüsse sie auf die unsichtbaren Bestandteile des Universums zulassen.
Wenn Galaxienhaufen als alt bezeichnet werden, bedeutet das nicht bloß im übertragenen Sinn, dass das Teleskop in die Vergangenheit blickt. Licht braucht Zeit, um kosmische Entfernungen zurückzulegen. Deshalb zeigen uns die Bilder weit entfernter Objekte, wie diese in einer früheren Phase ihrer Entwicklung aussahen. Beobachtet Euclid große Gebiete und zugleich weit entfernte Objekte, können Forschende umfangreiche Stichproben solcher früheren Ansichten sammeln und miteinander vergleichen. In der Mission kommen damit zwei wichtige Aspekte zusammen: der Blick auf frühere kosmische Zeiten und die Untersuchung großer Regionen statt nur einer Handvoll ausgewählter Ziele.
Warum diese Datenveröffentlichung ein Wendepunkt sein könnte
Die entscheidende Leistung besteht nicht darin, dass Euclid allein sämtliche Geheimnisse des Universums gelüftet hätte. Das Teleskop stellt vielmehr eine umfangreiche Beobachtungsgrundlage bereit, auf der viele unterschiedliche Forschungsarbeiten aufbauen können. Anhand zahlreicher Galaxien lassen sich ihre Formen und Ansammlungen untersuchen. Unter den möglichen Gravitationslinsen können Forschende besonders aussagekräftige Fälle für genauere Analysen auswählen. Und mithilfe der Galaxienhaufen lässt sich verfolgen, wie kosmische Strukturen wachsen. Jeder dieser Forschungswege muss für sich ausgewertet werden. Dass sie in einer einzigen Durchmusterung zusammenkommen, hilft jedoch dabei, verschiedene Erscheinungen in einem größeren Zusammenhang zu betrachten.
Die große Zahl der Messungen bringt zugleich eine methodische Herausforderung mit sich. Mögliche Fälle müssen sortiert, die Bildqualität muss bewertet und die Deutungen müssen überprüft werden, bevor sie als gesicherte Ergebnisse gelten können. Das zeigt sich besonders deutlich bei den rund 15.000 möglichen Gravitationslinsen und den annähernd 60 Millionen möglichen Quasaren. Solche enormen Zahlen eröffnen viele Forschungsgelegenheiten, ersetzen aber nicht die wissenschaftliche Arbeit. Erst durch Einordnung, Analyse und Vergleich werden Beobachtungen zu Erkenntnissen.
Die Veröffentlichung der Daten ist deshalb eher der Auftakt zu einer Reihe neuer Fragen als der Schlusspunkt einer abgeschlossenen Entdeckungsgeschichte. In den kommenden Monaten und Jahren werden die Informationen über Galaxien, Galaxienhaufen und Gravitationslinsen untersucht. Sie könnten das Verständnis davon verbessern, wie Materie verteilt ist und wie kosmische Ansammlungen entstehen und sich entwickeln. Die Zusammenarbeit von Euclid und Roman gibt den Forschenden zwei unterschiedliche Möglichkeiten an die Hand, solche miteinander verknüpften Themen zu untersuchen – ohne die jeweils eigenen Ziele und Arbeitsweisen der Missionen gleichzusetzen.
Fazit
Seit seinem Start im Juli 2023 hat Euclid eine gewaltige Menge an Beobachtungsdaten gesammelt. Die Kamera für sichtbares Licht erreicht eine Auflösung von rund 600 Megapixeln. Zu den annähernd einer Milliarde erfassten Objekten gehören mehr als 900 Millionen Galaxien und etwa 60 Millionen mögliche Quasare. Insgesamt umfassen die Daten mehr als 1,7 Millionen Gigabyte. Besonders bemerkenswert sind die rund 15.000 möglichen Fälle starker Gravitationslinsen sowie das umfangreiche Material über Galaxienhaufen.
Der Wert dieser Beobachtungen zeigt sich vor allem darin, was sich mit ihnen künftig herausfinden lässt: wie Galaxien sich zusammenlagern, wie Galaxienhaufen wachsen und was die Ablenkung von Licht über unsichtbare Masse verrät. Euclid beobachtet sichtbares Licht und deckt große Himmelsgebiete ab; Roman konzentriert sich auf Infrarotstrahlung und nimmt bestimmte Regionen wiederholt auf. Gemeinsam bieten die Missionen damit verschiedene, einander ergänzende Wege, dieselben großen Fragen zu untersuchen. Euclid bringt die Forschenden einer dreidimensionalen Karte des Universums näher. Zugleich beginnt nun erst die langfristige Arbeit, aus der riesigen Beobachtungsmenge ein genaueres Verständnis des Kosmos zu gewinnen.