Der Kosmos besteht zum größten Teil aus Materie, die wir nicht sehen können. Wir wissen, dass es sie gibt, aber sie strahlen kein Licht aus (nicht nur im sichtbaren Bereich, sondern auch in anderen Teilen des elektromagnetischen Spektrums), und sie können nicht direkt mit normaler Materie interagieren. Wie können wir die Natur von Dingen, die aus solcher Materie bestehen, auch nur ansatzweise verstehen?
Der Schlüssel liegt darin, sie anhand ihrer Auswirkungen auf das Universum zu untersuchen. Dunkle Materie besitzt Schwerkraft und beeinflusst daher die Bewegung und Verteilung normaler Materie in Galaxien (wenn man bedenkt, dass es fünfmal oder mehr dunkle Materie im Universum gibt als normale Materie, lohnt es sich vielleicht, darüber nachzudenken, welche davon wir als "normal" bezeichnen). Die dunkle Materie bestimmt auch, wie sich das Licht durch den Raum ausbreitet, der durch die Schwerkraft verzerrt wird. Und die dunkle Energie verursacht die beschleunigte Expansion des Universums, was sich auf die Messung der Entfernungen entfernter Galaxien auswirkt und die Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen in größeren kosmischen Strukturen verändert.
Und dies sind messbare Effekte, die sich mit cleveren Lösungen und geeigneten fortschrittlichen Technologien erreichen lassen. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat ein außergewöhnlich leistungsfähiges neues Instrument in den Werkzeugkasten eingebracht, das dies ermöglicht: Das weltraumgestützte Observatorium Euclid soll die Geheimnisse des dunklen Universums entschlüsseln - und eine Menge über das sichtbare Universum.
Im Vergleich zu den meisten Weltraumteleskopen ist Euclid recht bescheiden in seiner Größe. Sein Spiegel hat einen Durchmesser von nur 1,2 Metern, was der Hälfte des Durchmessers des Hubble-Weltraumteleskops und einem Fünftel des Durchmessers des James Webb Space Telescope (JWST) entspricht. Trotz seiner geringeren Größe ist Euclid diesen beiden gigantischen Weltraumobservatorien jedoch in einem wichtigen Punkt überlegen: Im Gegensatz zum engen Sichtfeld der Hauptspiegel von Hubble und JWST bietet der Euclid-Spiegel einen Panoramablick. Das Teleskop kann ein halbes Quadratgrad des Himmels erfassen, mehr als das Doppelte der Fläche, die der Vollmond bedeckt.
Jeden Tag wird ein langer, breiter Streifen des Himmels abgetastet, wobei insgesamt 15.000 Quadratgrad, also mehr als ein Drittel des gesamten Himmels, beobachtet werden sollen.
Und das alles in hoher Auflösung - das heißt, es können feine Details gezeigt werden.
Euclid wurde im Juli 2023 gestartet, und die ersten vorläufigen Bilder wurden in diesem Jahr veröffentlicht. Im Mai veröffentlichte die ESA dann die ersten vollständig kalibrierten wissenschaftlichen Bilder des Teleskops sowie eine Reihe wissenschaftlicher Veröffentlichungen. Diese Ergebnisse sind visuell und wissenschaftlich beeindruckend und geben einen hervorragenden Eindruck davon, was diese Mission sein könnte.
Abell 2390
Abell 2390 ist ein Galaxienhaufen, der fast drei Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Er ist sehr bevölkerungsreich, mit Tausenden von Galaxien, die durch die Schwerkraft miteinander verbunden sind. Galaxienhaufen wie dieser sind eine Fundgrube für Astronomen: Sie sind so groß, dass ihre Schwerkraft den Raum erheblich verzerrt. Dies wird als Gravitationslinseneffekt bezeichnet, weil er das Licht von noch weiter entfernten Galaxien im Hintergrund lenken und verstärken kann. Die dunkle Materie im Haufen trägt zu diesem Linseneffekt bei, und durch die Untersuchung der fein verzerrten Bilder von Hintergrundobjekten können die Experten auch die Verteilung der dunklen Materie im Linsensystem kartieren.
Sehr aufregend ist aber auch, dass Euclid eine Sternenpopulation in dem Haufen entdeckt hat, die bisher fast unsichtbar war: die Sterne zwischen den Galaxien. Diese Sterne sind einzeln sehr schwach, aber ihr gemeinsames Licht macht sie sichtbar, zumindest für Euclid. Obwohl Teleskope wie Hubble schon früher solche Himmelsobjekte entdeckt haben, waren diese Beobachtungen auf enge Sichtfelder beschränkt und erforderten eine sorgfältige Ausrichtung. Euclid sieht den gesamten Sternhaufen auf einen Blick und kann das Licht aller "verirrten" Sterne addieren.
Dies wurde bereits bei früheren Beobachtungen eines anderen Galaxienhaufens, des Perseus-Haufens, getan, und die Astronomen haben festgestellt, dass dieses Licht innerhalb des Haufens von vielen Milliarden Sternen stammen könnte. Diese verstreuten Sterne sind also so zahlreich, dass sie eine ganze Galaxie bilden könnten, wenn sie in den riesigen Regionen des Raums zwischen den Galaxien existieren würden. Die vorherrschende Theorie besagt, dass sie aus kleineren Galaxien am Rande des Haufens herausgeschleudert wurden, die den starken Gravitationskräften anderer Galaxien besonders stark ausgesetzt waren, und dass sie deshalb aus ihrer ursprünglichen Heimat ausgestoßen wurden.
Das beigefügte Bild von Abell 2390 basiert auf Beobachtungen von zwei Kameras auf Euclid. Eine von ihnen (VIS) erfasst Licht, das dem vom menschlichen Auge wahrgenommenen ähnlich ist, vom grünen Teil des Spektrums bis zum nahen Infrarot. Die andere ist ein Nahinfrarot-Spektrometer und -Photometer (NISP), das viel weiter in den Nahinfrarotbereich hineinschaut, bis hinunter zu zwei Mikrometern, etwa dreimal länger als die längste Lichtwellenlänge, die unsere Augen wahrnehmen können.
Das NISP verfügt über 64 Megapixel und das VIS über 600 Megapixel, was selbst in der Astronomie ein gewaltiger Wert ist.
NISP kann den Astronomen auch eine große Hilfe beim Verständnis der dunklen Energie sein. Dabei handelt es sich um die geheimnisvolle Kraft, die dafür sorgt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt, und dass sich weit entfernte Galaxien in einem anderen Abstand befinden, als dies bei einer konstanten Expansionsrate der Fall wäre. Weit von der Erde entfernte Galaxien erfahren eine starke Rotverschiebung, da die Wellenlänge ihres Lichts auf dem Weg zu unseren Teleskopen durch die zwischenzeitliche Ausdehnung des Raums gestreckt wird. Bei sehr weit entfernten Galaxien ist dieser Effekt so ausgeprägt, dass die ursprünglich als sichtbares Licht ausgesandte Strahlung in den Infrarotbereich verschoben wird.
Das Spektrometer von NISP zerlegt diese tiefe Rotverschiebung in Wellenlängen, die Astronomen untersuchen können, um das Ausmaß der Verschiebung zu messen und so die Entfernung der Galaxien zu berechnen. JWST kann dies auch, aber Euclid kann einen viel größeren Himmel und damit viel mehr Galaxien auf einmal sehen, und die Kartierung der letzten zehn Milliarden Jahre kosmischer Geschichte und Millionen von Galaxien bedeutet, dass wir die sich beschleunigende Expansion besser "in den Griff" bekommen können. Die Astronomen hoffen auch, Veränderungen in der Beschleunigung in vielen verschiedenen Teilen des Universums messen zu können, was bisher nicht möglich war.
NGC 6744
Euclid blickt nicht nur in die Ferne, sondern auch in die Nähe. So hat es zum Beispiel die spektakuläre Spiralgalaxie NGC 6744, etwa 30 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, unter die Lupe genommen. Das weite Sichtfeld des Teleskops ermöglicht es, die gesamte Galaxie und ihre Umgebung in exzellenten Details zu betrachten. Neben der Untersuchung der Gesamtstruktur und der Sternpopulation der Galaxie hat Euclid auch einen Blick in die Umgebung des Objekts geworfen, um nach viel schwächeren Begleitgalaxien zu suchen, die in der Nähe großer Galaxien häufig vorkommen.
Die kleineren Galaxien, die größere Galaxien umschwärmen, können besonders empfindlich auf die subtilen Auswirkungen der dunklen Materie reagieren. Die Katalogisierung und Untersuchung dieser Begleiter könnte daher eine weitere Möglichkeit für Forscher sein, mehr über die unsichtbare Materie zu erfahren und darüber, wie sie die Entstehung und Entwicklung von Galaxien beeinflusst hat.
Im Fall von NGC 6744 haben die Astronomen in den Euclid-Daten bereits eine neue, unbekannte Begleitgalaxie gefunden - ein vielversprechender Anfang.
Messier 78
Ein weiteres spannendes Bild wurde von einem noch näheren Ziel aufgenommen: Messier 78. Dabei handelt es sich um eine sternbildende Gas- und Staubwolke in nur 1300 Lichtjahren Entfernung. Die Wolke ist Teil einer riesigen Struktur, zu der auch der Orionnebel und der Pferdekopfnebel gehören. M78 ist ein sogenannter Reflexionsnebel: Zwei riesige, junge, blaue Überriesensterne beleuchten die Wolke, und dieses Licht wird in unsere Richtung gestreut, wodurch der Staub der Wolke blau erscheint. Experten haben Beobachtungen von Euclid im infraroten und sichtbaren Bereich kombiniert, um ein faszinierendes Porträt dieser Sichel zu erstellen. Auf dem Bild leuchtet der warme Wasserstoff rosa-violett, während der kosmische Staub rötlich-braun erscheint.
Neugeborene Sterne wechselwirken stark mit der sie umgebenden Materie. Diejenigen, die sich noch im Entstehen befinden, ziehen Materie in sich hinein, während reifere Sterne riesig werden können und so heiß werden, dass ihr Licht riesige Hohlräume in die sie umgebenden Materiewolken schneidet. In diesen Wolken können sich kleinere Objekte bilden, darunter auch nomadische Planeten, von denen Euclid vielleicht die größten aufspüren kann.
Dies ist nur ein Vorgeschmack auf das, was Euclid in den kommenden Jahren bieten wird. In einer kürzlich veröffentlichten Studie haben Astronomen die Gravitationsverzerrung der Milchstraße auf Sternhaufen durch Euklid kartiert, und ihre Ergebnisse unterstützen theoretische Modelle. Dutzende von extrem weit entfernten Galaxien, die ultraviolette Strahlung aussenden, wurden ebenfalls entdeckt, was uns helfen könnte, ihre Rolle im frühen Universum zu verstehen, einschließlich der Art und Weise, wie sie die sie umgebende Materie in einem Ereignis namens Reionisation beleuchteten, das für die Geschichte des jungen Kosmos entscheidend war.
Und genau darin liegt die wahre Stärke von Euklid. Indem wir große Bereiche des Himmels vermessen, gewinnen wir ein umfassenderes Bild des Universums, dessen Details von größeren Teleskopen gezielt aufgedeckt werden.
Euclid ermöglicht es den Astronomen also, einen Schritt zurückzutreten und eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, welche Kuriositäten im Kosmos noch vor ihnen liegen.
