Die hohe Auflösung, die große Öffnung und die extreme Präzision des Hubble-Weltraumteleskops bedeutet, dass es Photonen aus den dunkelsten Bereichen des Universums ziehen kann und dabei weiter zurückblickt als jedes visuelle Teleskop, das es zuvor gab.
Da das Licht dieser fernen Galaxien und Sterne Milliarden von Jahren gebraucht hat, um die Leere zu durchqueren, sehen wir sie so, wie sie vor Jahrtausenden aussahen, bis zurück zu den frühesten Tagen des Universums.
„Wir können die Natur der am weitesten entfernten Galaxien mit denen vergleichen, die wir in Raum und Zeit näher bei uns sehen, um zu sehen, ob sie anders sind. Und das sind sie tatsächlich“, sagt Jennifer Wiseman, Senior Project Scientist bei Hubble. „Ich denke, Hubbles tiefgreifendster Beitrag hat uns gezeigt, wie sich das Universum im Laufe der Zeit verändert hat.“
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Nirgendwo wird diese Fähigkeit besser dargestellt als in den Hubble Deep Field-Bildern. Die erste davon wurde 1995 aufgenommen, als das Teleskop eine 100-stündige Langzeitbelichtung – viele Male länger als normal – eines scheinbar leeren Himmelsabschnitts aufnahm.
Zu der Zeit argumentierten einige Astronomen, das Bild sei eine Verschwendung wertvoller Hubble-Zeit, aber als das Bild zusammengesetzt wurde, wurde schnell widerlegt, dass sie falsch liegen.
Dieses erste Bild enthielt fast 3.000 Galaxien, von denen einige aus der Zeit stammen, als sich die ersten Sterne bildeten. Diese schienen kleiner und unregelmäßiger zu sein als die heutigen, was zeigt, dass sich Galaxien im Laufe der Zeit verändern.
Supernovae und dunkle Energie
Während das scharfe Auge von Hubble in der Lage war, diese fernen Galaxien auszumachen, war es auch entscheidend, um genau zu bestimmen, wie weit diese fernen Sternkollektive entfernt sind.
„Hubble beobachtet Supernovae vom Typ Ia, die Astronomen verwenden, um die Entfernung zu weit entfernten Galaxien abzuschätzen“, sagt Wiseman.
Diese Typ-Ia-Supernovae explodieren immer mit der gleichen Helligkeit, sodass Astronomen durch Messen ihrer scheinbaren Helligkeit von der Erde aus berechnen können, wie weit sie – und die Galaxie, in der sie aufgetreten sind – entfernt sein müssen. Die Berechnung dieser Entfernungen ist ein wichtiger Bestandteil eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele von Hubble – die Messung der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt.
„Seit Edwin Hubble vor einem Jahrhundert Beobachtungen gemacht hat, die zeigten, dass sich Galaxien zurückziehen, wissen wir, dass sich das Universum scheinbar ausdehnt und dass sich der Weltraum zu dehnen scheint“, sagt Wiseman.
„Aber die tatsächliche Rate dieser Expansion zu messen, war eine Herausforderung, weil es genaue Entfernungsmessungen erfordert. Hubble hat dazu beigetragen, diese Beobachtungen mit immer höherer Präzision durchzuführen, was zu einem seiner wirkungsvollsten Beiträge geführt hat – der Erkenntnis, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt.“
Astronomen waren überrascht, als zwei unabhängige Teams diese Beschleunigung im Jahr 1998 entdeckten. Alle hatten angenommen, dass sich die Expansion nach dem Urknall entweder verlangsamen oder bis zu einem stagnierenden Tempo verlangsamen würde. Wenn sich die Expansion beschleunigt, stellt sich die Frage:Was beschleunigt sie?
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„Wir haben es immer noch nicht ganz verstanden“, sagt Wiseman. „Das ist ein sehr heißes Thema in der Astrophysik. Wir nennen es dunkle Energie und Hubble hat bei seiner Untersuchung wirklich eine Schlüsselrolle gespielt.“
Heute glauben Astronomen, dass dunkle Energie etwa 75 Prozent des Universums ausmacht. Ein kleiner Teil des Rests besteht aus leuchtender Materie, wie Gas und Staub, die in Wolken glühen oder in Sternen brennen. Die restlichen 24 Prozent sind dunkle Materie, eine weitere mysteriöse Substanz, die sich durch unser Universum zieht und sich zwischen Galaxien und Sternen ausdehnt.
Dunkle Materie und Gravitationslinseneffekt
Diese dunkle Materie interagiert nicht wie normale Materie mit Licht, sodass sie für normale Teleskope völlig unsichtbar ist. Aber es interagiert durch die Schwerkraft mit dem sichtbaren Universum, was bedeutet, dass Hubble in der Lage ist, diese „unsichtbare“ Substanz ans Licht zu bringen.
„Jede Art von Masse verzerrt die Raumzeit“, sagt Wiseman. „Wenn Sie eine sehr große Masseansammlung haben, könnte diese Verzerrung tatsächlich ein Phänomen erzeugen, das signifikant genug ist, um beobachtet zu werden.“
Dieser Effekt ist als Gravitationslinseneffekt bekannt, bei dem Licht aus einer entfernten Galaxie durch die Schwerkraft eines riesigen Objekts, wie z. B. eines Galaxienhaufens, gebeugt wird. Der Prozess ist jedoch nicht perfekt und wenn das Licht der fernen Galaxie die Erde erreicht, ist es normalerweise stark verzerrt.
„Hubble wird zur Beobachtung von Galaxienhaufen verwendet, um diese Bögen aus verzerrtem Licht zu erkennen“, sagt Wiseman. „Indem wir den Gravitationslinseneffekt der Galaxienhaufen untersuchen, können wir etwas darüber sagen, wie die Masse in diesen Haufen verteilt ist.“
Der größte Teil dieser Masse ist dunkle Materie. Indem sie sich ansehen, wie stark Galaxien verzerrt sind, können Astronomen kartieren, wie die mysteriöse Substanz im ganzen Universum verteilt ist.
Supermassereiche Schwarze Löcher entdecken
Ein weiteres scheinbar unsichtbares Objekt, zu dessen Beleuchtung Hubble beigetragen hat, sind supermassereiche Schwarze Löcher. Diese dichten Körper sind mehrere Milliarden Mal massereicher als unsere Sonne und man nimmt an, dass sie im Herzen der meisten Galaxien liegen.
Vor Hubble waren diese Schwarzen Löcher völlig theoretisch. Der einzige Beweis für ihre Existenz waren Radiobeobachtungen entfernter Galaxien, bekannt als Quasare, die Objekte von der Größe des Sonnensystems enthielten, die aber heller leuchteten als alles andere bekannte Ding im Universum.
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Hubble konnte feststellen, dass die Radioemissionen aus den Zentren der Galaxien kamen, in denen sie sich befanden, höchstwahrscheinlich von extrem heißem Gas, das stark erhitzt wurde, als es um ein riesiges Schwarzes Loch wirbelte.
1997 wurde der Space Telescope Imaging Spectrograph auf Hubble installiert. Dieses Instrument war viel besser darin, die Region in der Nähe des Zentrums einer Galaxie zu betrachten, und es konnte die schnelle Bewegung von Sternen erkennen, die sich in der Nähe eines Schwarzen Lochs in der Umlaufbahn befanden. Das Instrument fand sie bald und bewies definitiv die Existenz von supermassereichen Schwarzen Löchern.
In den letzten 30 Jahren hat das Hubble-Weltraumteleskop Astronomen dabei geholfen, Photonen aus den tiefsten Tiefen des Weltraums herauszuholen, und sogar Orte in unserem Kosmos beleuchtet, an denen kein Licht scheint, und dabei geholfen, die dunkelsten Geheimnisse des Universums zu enthüllen.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 348 des BBC Science Focus Magazine