Die Expansion des Universums mit kosmischem Feuerwerk messen

Münchner Forschende nehmen eine äußerst seltene Supernova hinter einer Gravitationslinse auf und modellieren sie
 

Dass sich das Universum ausdehnt, ist seit fast hundert Jahren bekannt – doch wie schnell genau? Diese Frage ist heftig umstritten und stellt das Standardmodell der Kosmologie infrage. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM), des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik (MPE), der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Astrophysik hat nun eine außergewöhnlich seltene Supernova abgebildet und modelliert, die einen neuen, unabhängigen Weg bieten könnte, die Expansionsrate des Universums zu messen.

• Eine Aufnahme, die ein lang bestehendes kosmisches Rätsel lösen könnte
• Beispiellose Chance, die Ausdehnung des Universums zu messen
• Zusammenarbeit zwischen TUM, LMU und Max-Planck-Instituten

 

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

 

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 vom MPE und der LMU das Large Binocular Telescope in Arizona mit seinen zwei Spiegeln von je 8,4 Metern Durchmesser und einem adaptiven Optiksystem, das atmosphärische Unschärfen korrigiert. „Die Ergebnisse bestätigen eindeutig, dass das fünfte Bild real ist und dieselbe Farbe wie die anderen vier hat“, sagt Roberto Saglia (MPE). „Die Positionen der fünf SN Winny-Bilder sind nun ausreichend präzise, um als Grundlage für ein detailliertes Massemodell zu dienen.“

 

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, Doktorand Leon Ecker (LMU) und der Masterstudent Allan Schweinfurth (TUM), das erste Modell für die Massenverteilung der Linse.

 

„Die Tatsache, dass dieses System eine wenig bekannte, sehr leuchtstarke Supernovae ist, macht es besonders einzigartig“, sagt LMU-Physiker Leon Ecker, Erstautor einer im Fachmagazin Astronomy & Astrophysics eingereichten Arbeit, in der diese Ergebnisse beschrieben werden. „Es eignet sich ideal, um einen präzisen Wert für die Hubble-Konstante abzuleiten.“

 

Zwei Methoden, zwei sehr unterschiedliche Ergebnisse

 

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 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 (TUM), 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 derzeit SN Winny detailliert mit bodengestützten und weltraumgestützten Teleskopen, darunter auch das Wendelstein-Observatorium der LMU. Ihre Ergebnisse werden wichtige neue Erkenntnisse liefern und dazu beitragen, die seit langem bestehende Hubble-Spannung zu klären.