SN Winny: Gravitationslinseneffekt vervielfacht Supernova

Die Geschwindigkeit, mit der sich unser Universum ausdehnt, bekannt als die Hubble-Konstante, bleibt einer der bedeutendsten Streitpunkte der modernen Physik und schafft eine Diskrepanz, die das Standardmodell der Kosmologie infrage stellt. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM), der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und der Max-Planck-Institute (MPA und MPE) hat ein seltenes astronomisches Ereignis identifiziert, das diesen Konflikt schließlich lösen könnte. Im August 2025 entdeckten Astronomen SN 2025wny, genannt SN Winny, eine superleuchtkräftige Supernova, deren Licht durch eine Gravitationslinse in fünf einzelne Bilder aufgespalten wurde. Diese einzigartige Ausrichtung bietet ein unabhängiges, einstufiges Werkzeug zur Messung kosmischer Entfernungen und zur Berechnung der Expansionsrate mit beispielloser Genauigkeit.

Was ist die Hubble-Spannung?

Die Hubble-Spannung bezeichnet die erhebliche Unstimmigkeit zwischen zwei primären Methoden zur Berechnung der Expansionsrate des Universums. Eine Methode misst das „lokale“ Universum mithilfe der kosmischen Entfernungsskala, während die andere den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) aus dem frühen Universum analysiert. Trotz hoher Präzision in beiden Ansätzen stimmen die Ergebnisse nicht überein, was darauf hindeutet, dass unser grundlegendes Verständnis der Physik oder der Dunklen Energie unvollständig sein könnte. Die Lösung dieser Spannung ist entscheidend, da die Hubble-Konstante das Alter, die Größe und das endgültige Schicksal des Kosmos bestimmt.

Traditionelle Messungen beruhen oft auf komplexen Kalibrierungsschritten. Die lokale Methode nutzt „Standardkerzen“, wie bestimmte Arten von Sternen oder Supernovae, um Entfernungen zu schätzen. Da jedoch jeder Schritt in der kosmischen Entfernungsskala von der Genauigkeit des vorherigen abhängt, können sich kleine systematische Fehler summieren. Umgekehrt stützt sich die CMB-Methode auf Modelle darüber, wie sich das Universum über Milliarden von Jahren entwickelt hat. Wenn diese Modelle auch nur geringfügige Ungenauigkeiten hinsichtlich des Verhaltens von Dunkler Energie oder Materie enthalten, wird die berechnete Expansionsrate verzerrt. SN Winny bietet eine Möglichkeit, diese Probleme durch eine direkte geometrische Messung zu umgehen.

Wie erzeugt eine Gravitationslinse Mehrfachbilder einer Supernova?

Gravitationslinsen erzeugen Mehrfachbilder einer Supernova, wenn eine massive Vordergrundgalaxie oder ein Galaxienhaufen das Licht der Supernova entlang separater Pfade beugt und verstärkt. Gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie krümmt die Schwerkraft das Gewebe der Raumzeit; als das Licht von SN Winny 10 Milliarden Lichtjahre zur Erde reiste, traf es auf zwei Vordergrundgalaxien. Diese massive Ausrichtung wirkte wie eine natürliche kosmische Lupe, die das Licht in fünf verschiedene Pfade unterschiedlicher Länge aufteilte, was dazu führte, dass fünf bläuliche Kopien desselben explodierenden Sterns am Nachthimmel erschienen.

Die Geometrie dieses speziellen Linsensystems ist außergewöhnlich klar, was eine Abkehr von früheren Entdeckungen darstellt. „Bisher wurden die meisten durch Gravitationslinsen verstärkten Supernovae durch massive Galaxienhaufen vergrößert, deren Massenverteilungen komplex und schwer zu modellieren sind“, erklärt Allan Schweinfurth, Forscher an der TUM. Da SN Winny von nur zwei einzelnen Galaxien mit gleichmäßigen Massenverteilungen abgelenkt wird, kann das Team das System mit hoher Präzision modellieren. Diese Einfachheit verringert die Unsicherheit darüber, wie stark das Licht gebeugt wurde, und liefert eine klarere „Karte“ der Reise, die das Licht zurückgelegt hat, um das Large Binocular Telescope in Arizona zu erreichen.

Warum ist die Entdeckung von SN 2025wny (SN Winny) so selten?

SN 2025wny ist außergewöhnlich selten, da es sich um eine superleuchtkräftige Supernova handelt, die bei einer hohen Rotverschiebung von z = 2 perfekt mit einer Gravitationslinse ausgerichtet ist. Die mathematische Wahrscheinlichkeit, dass eine Supernova so präzise hinter einer Vordergrundlinse positioniert ist, dass fünf separate Bilder entstehen, liegt bei weniger als eins zu einer Million. Diese Entdeckung war das Ergebnis einer gezielten sechsjährigen Suche der SN Winny Research Group, die eine Liste vielversprechender Gravitationslinsen zusammenstellte, bevor das Ereignis im August 2025 schließlich eintrat.

Die Seltenheit wird durch die Natur des Sterns selbst noch verstärkt. SN Winny ist eine superleuchtkräftige Supernova, was bedeutet, dass sie weitaus heller ist als typische Sternexplosionen. Diese extreme Helligkeit ermöglichte es dem Large Binocular Telescope am Mount Graham, hochauflösende Farbbilder des Systems aufzunehmen, obwohl es 10 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Sherry Suyu, Associate Professor für beobachtende Kosmologie an der TUM und Fellow am Max-Planck-Institut für Astrophysik, merkte an, dass das Ereignis ein wichtiger Meilenstein für die beobachtende Kosmologie ist, da bisher nur eine Handvoll solcher Linsenmessungen versucht wurde.

Wie können Zeitverzögerungen bei Supernovae mit Gravitationslinseneffekt die Expansionsrate des Universums messen?

Zeitverzögerungen bei Supernovae mit Gravitationslinseneffekt messen die Expansionsrate des Universums, da jedes der fünf Bilder einen Pfad unterschiedlicher Länge zurücklegt, um die Erde zu erreichen. Obwohl die Supernova ein einzelnes Ereignis ist, erscheinen die Bilder nicht gleichzeitig; stattdessen „flackern“ sie zu unterschiedlichen Zeiten auf. Durch die Messung der spezifischen Zeitverzögerung zwischen diesen Erscheinungen und die Kombination dieser Daten mit der bekannten Masse der Linsengalaxien können Astronomen die Hubble-Konstante direkt berechnen, ohne die mehrstufige kosmische Entfernungsskala zu benötigen.

Dieser „einstufige“ Ansatz wird von Stefan Taubenberger angeführt, dem Hauptautor der in Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Identifizierungsstudie. Da die Methode auf einer anderen Physik und weniger Annahmen beruht als bisherige Techniken, dient sie als entscheidendes Zünglein an der Waage für die Hubble-Spannung. Leon Ecker und Allan Schweinfurth erstellten die ersten Massenverteilungsmodelle für die Linse und bestätigten, dass die Galaxien noch nicht kollidiert sind, was die Regelmäßigkeit der Lichtpfade bewahrt. Diese Regelmäßigkeit ermöglicht die hochpräzise Berechnung, wie schnell sich der Raum zwischen den Galaxien dehnt.

Welche Bedeutung haben die Beobachtungen des Large Binocular Telescope?

Das Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona spielte eine entscheidende Rolle bei dieser Entdeckung, indem es die ersten hochauflösenden Farbbilder des SN Winny-Systems lieferte. Mit zwei Spiegeln von 8,4 Metern Durchmesser und einem fortschrittlichen adaptiven Optiksystem korrigierte das Teleskop atmosphärische Unschärfen, um die beiden warmtönigen Vordergrundgalaxien und die fünf bläulichen Kopien der Supernova sichtbar zu machen. Diese Beobachtungen sind entscheidend für die Bestimmung der exakten Positionen der Bilder, die zur Berechnung des Gravitationspotenzials der Linse verwendet werden.

• Instrument: Large Binocular Telescope, Mount Graham, Arizona.
• Technologie: Zwei 8,4-Meter-Spiegel mit adaptiver Optik.
• Erkenntnisse: Fünf deutliche Bilder einer einzelnen Supernova bei Rotverschiebung z = 2.
• Institutionen: Zusammenarbeit von Forschenden des MPE, der LMU und der TUM.

Auswirkungen auf die Zukunft der Kosmologie

Die Daten von SN Winny könnten potenziell eine Abweichung vom Standardmodell der Kosmologie bestätigen. Wenn die aus dieser Supernova berechnete Expansionsrate eher mit lokalen Messungen als mit den Daten aus dem frühen Universum übereinstimmt, könnte dies darauf hindeuten, dass sich die Dunkle Energie im Laufe der Zeit entwickelt oder dass neue physikalische Gesetze erforderlich sind, um das Wachstum des Universums zu erklären. Dies würde eine massive Verschiebung in der Art und Weise erzwingen, wie Wissenschaftler das „kosmische Rezept“ aus Materie und Energie sehen, das unser Universum regiert.

Darüber hinaus bereitet der Erfolg des Forschungsprojekts HOLISMOKES (Highly Optimised Lensing Investigations of Supernovae, Microlensing Objects, and Kinematics of Ellipticals and Spirals) den Weg für zukünftige Observatorien. Es wird erwartet, dass das Vera C. Rubin Observatory und das James Webb Space Telescope (JWST) im kommenden Jahrzehnt hunderte von linsengesteuerten Supernovae finden werden. SN Winny dient als Goldstandard dafür, wie diese zukünftigen Entdeckungen modelliert und analysiert werden, um das Rätsel der Hubble-Konstante zu lösen.

Wie geht es weiter mit SN Winny und der kosmologischen Forschung?

Astronomen weltweit führen derzeit Nachbeobachtungen von SN Winny mit boden- und weltraumbasierten Instrumenten durch. Das unmittelbare Ziel ist es, die Zeitverzögerungsmessungen zu verfeinern, während die Supernova verblasst, um die höchstmögliche Präzision für die Berechnung der Hubble-Konstante zu gewährleisten. Diese Ergebnisse, unterstützt durch den Excellence Cluster ORIGINS und die Max-Planck-Gesellschaft, werden wahrscheinlich für Jahre ein Eckpfeiler der kosmologischen Debatte sein.

Während die wissenschaftliche Gemeinschaft auf die endgültigen Expansionswerte wartet, beweist die Entdeckung von SN Winny, dass „kosmisches Feuerwerk“ mehr als nur ein visuelles Spektakel ist; es ist ein präzises mathematisches Werkzeug. Indem sie eine 10 Milliarden Lichtjahre lange Reise in ein geometrisches Lineal verwandeln, sind Forscher dem Verständnis des fundamentalen Tempolimits unseres expandierenden Universums näher als je zuvor. Der Übergang von einer sechsjährigen Suche zu einer bahnbrechenden Messung unterstreicht die Kraft internationaler Zusammenarbeit in der beobachtenden Kosmologie.