Euclid fand in einem Jahr mehr kosmische Linsen als alle früheren Suchen zusammen

Das europäische Weltraumteleskop Euclid hat in etwa einem Jahr Himmelsdurchmusterung mehr starke Gravitationslinsen entdeckt als alle früheren Suchaktionen zusammen. Die erste große Datenveröffentlichung der Europäischen Weltraumagentur enthält rund fünfzehntausend hochzuverlässige Linsenkandidaten. In jedem von ihnen krümmt die Schwerkraft einer Vordergrundgalaxie das Licht einer weiter entfernten Galaxie zu Bögen, Ringen oder Doppelbildern.

Das ist von Bedeutung, weil eine Linse wie eine Waage funktioniert. Das Ausmaß der Krümmung zeigt, wie viel Masse in der Vordergrundgalaxie steckt – einschließlich der Dunklen Materie, die kein Teleskop direkt sehen kann. Bislang untersuchten Astronomen solche Systeme als seltene Einzelfunde. Mit einem so großen Katalog können sie sie als Population untersuchen, und dieselbe Veröffentlichung fügt der weiteren Arbeit zur Kartierung des dunklen Universums mehr als neunhundert Millionen Galaxien hinzu.

Die Veröffentlichung mit der Bezeichnung DR1-Foundation umfasst etwa 1.900 Quadratgrad Himmel, eine Fläche, die rund 9.500-mal so groß ist wie der Vollmond. Sie enthält mehr als eine Milliarde katalogisierte Objekte, über 60 Millionen Quasarkandidaten, Spektren von mehr als 160 Millionen Quellen und etwa 1,7 Millionen Gigabyte Daten. Sie deckt zudem nur 14 % der Fläche ab, die Euclid im Rahmen seiner Mission erfassen soll.

„Starke Gravitationslinsen bieten einen einzigartigen Einblick in das dunkle Universum: Sie erlauben uns, einzelne Galaxien zu ‚wiegen‘ – einschließlich ihrer unsichtbaren Dunklen Materie – und zu erforschen, wie das Universum expandiert“, sagte Natalie Lines von der University of Portsmouth, Mitglied des Euclid-Konsortiums und Erstautorin der Studie zum Linsenkatalog.

Wie Euclid aus 900 Millionen Galaxien 15.000 Linsen herausfilterte

Linsen sind selten. Nur etwa eine von mehreren tausend Galaxien ist so genau mit einer Hintergrundquelle ausgerichtet, dass sie als Linse wirkt, und viele linsenförmige Bilder sind zu klein, um sie durch die Verzerrung der Erdatmosphäre aufzulösen. Euclid beobachtet aus dem Weltraum mit einem 1,2-Meter-Spiegel und zwei Instrumenten: VIS, einer Kamera für sichtbares Licht, die die scharfen Bilder liefert, und NISP, das Aufnahmen im nahen Infrarot macht und Licht in Spektren zerlegt.

Die Suche begann mit den rund 900 Millionen Quellen in der Veröffentlichung und behielt die 68 Millionen, die einen ersten Katalog-Schnitt bestanden. Fünf maschinelle Lernmodelle bewerteten diese Objekte. Die vielversprechendsten gingen an rund 7.000 Bürgerwissenschaftler des Projekts Space Warps auf der Plattform Zooniverse, die mehr als 4,5 Millionen Klassifikationen von 300.000 Objekten vornahmen. Schließlich überprüften 67 Linsenexpertinnen und -experten mehr als 30.000 Systeme und stuften sie ein.

Die Einstufungen sind wichtig. Von den 15.072 hochzuverlässigen Kandidaten sind 6.073 der Note A, die das Team als „sichere Linse“ bezeichnet, und 8.999 der Note B, die als „wahrscheinliche Linse“ eingestuft werden. Weitere 9.010 Systeme der Note C („möglich“) werden separat veröffentlicht. Anschließend versuchte eine Software, jedes System der Noten A und B mit einem Linsenmodell nachzubilden, und für mehr als 9.500 Linsen schätzte das Team Entfernungen und die physikalischen Eigenschaften der Vordergrundgalaxie.

Die meisten dieser Vordergrundgalaxien sind massereich und bilden keine neuen Sterne mehr. Sie liegen bei einer typischen Rotverschiebung von 0,68 – einem Maß dafür, wie sehr die Expansion des Universums ihr Licht gedehnt hat –, was weiter entfernt ist als frühere Linsenproben von bodengebundenen Teleskopen.

Von seltenen Funden zu einer Volkszählung von Tausenden

Die erste starke Linse – ein Quasar, der zweimal am Himmel erschien – wurde vor fast 50 Jahren identifiziert. Seitdem hatten die größten bodengebundenen Durchmusterungen, die zusammen den größten Teil des von der Erde aus sichtbaren Himmels abdecken, nach Angaben des Euclid-Konsortiums etwa 3.000 Linsen dieses Typs (Galaxie-hinter-Galaxie) gefunden. Euclids 15.072 hochzuverlässige Kandidaten übertreffen alle früheren Kataloge zusammen.

Jede einzelne wurde mit demselben Teleskop und derselben Methode gefunden. Wenn Linsen aus vielen verschiedenen Durchmusterungen und Auswahlmethoden stammen, sind sie schwer zu vergleichen. Eine einheitliche Stichprobe ermöglicht es Forschern, statistische Fragen zu stellen – etwa wie sich die Dunkle Materie um massereiche Galaxien von einer Galaxie zur nächsten verändert –, die ein paar hundert ungleiche Systeme nicht beantworten können.

Der Umfang der Himmelsabdeckung ist ebenfalls neu. Die Fläche dieser Veröffentlichung ist nach Angaben des Konsortiums etwa zehnmal so groß wie der Himmel, den das Hubble-Weltraumteleskop in 35 Jahren beobachtet hat. Euclids frühere Veröffentlichungen enthielten ein paar Tage Beobachtungen über etwa 60 Quadratgrad. Valeria Pettorino, ESA-Wissenschaftlerin für die Euclid-Mission, bezeichnete den Sprung als „einen Wechsel der Größenordnung“.

Der Katalog enthält auch seltene Typen, die früher Einzelfunde waren. Er listet 84 Kandidaten für Doppelquellenebenen-Linsen, bei denen eine Vordergrundgalaxie zwei Hintergrundgalaxien in unterschiedlichen Entfernungen abbildet, mehr als 1.000 Kandidaten für Linsen, die von Scheibengalaxien gebildet werden, sowie mehrere hundert gelinste Quasare und aktive galaktische Kerne. Vor Euclid gab es von den ersten beiden Klassen nur wenige bekannte Beispiele.

Die Veröffentlichung enthält mehr als nur Linsen

Weitere Studien, die mit den Daten veröffentlicht wurden, zeigen deren Bandbreite. Ein Team löste 15 schwache Sternsysteme erstmals in einzelne Sterne auf, fünf davon sind Neuentdeckungen. Eines der neuen Systeme, Ursa Minor II, liegt etwa 65.000 Lichtjahre entfernt im Halo der Milchstraße und enthält nur etwa die 40-fache Masse der Sonne an Sternen, was es zu einem der leuchtschwächsten bekannten Sternsysteme macht.

Eine zweite Studie vermaß die Formen von mehr als 40 Millionen sternbildenden Galaxien – eine Stichprobe, die 440- bis 52.800-mal größer ist als vergleichbare Studien mit dem James-Webb-Weltraumteleskop. Bei masseärmeren Galaxien bestätigte sie, dass längliche, zigarrenförmige Galaxien mit zunehmendem Alter des Universums seltener werden, während abgeflachte Scheiben dominieren.

Was DR1-Foundation nicht klärt

Euclids Hauptziel ist es, die Dunkle Energie zu messen – die ungeklärte Ursache der beschleunigten Expansion des Universums – und die Dunkle Materie im Laufe der kosmischen Geschichte zu kartieren. Diese Veröffentlichung leistet das noch nicht. Die für die Kosmologie benötigten Messungen, darunter Karten der schwachen Gravitationslinsen und Galaxienhaufen, befinden sich noch in der Erstellung und werden mit der vollständigen ersten Datenveröffentlichung erscheinen.

Die Linsen selbst sind noch Kandidaten. Nur die Systeme der Note A gelten als sicher, und das Entdeckungsteam schreibt, dass die Experteneinstufung subjektiv bleibe; daher korrigierte es die Verzerrungen durch einzelne Prüfer. Die Suche übersah auch einige echte Linsen. Das Team schätzt, dass es etwa 73 % der definitiven Systeme in dem Gebiet fand; der Rest ist wahrscheinlich schwächer oder mehrdeutiger. Die Bestätigung einzelner Systeme erfordert Nachbeobachtungen, einschließlich Spektren.

Die wissenschaftlichen Arbeiten liegen als Preprints vor. Die acht wissenschaftlichen und 18 technischen Veröffentlichungen, die mit den Daten erschienen sind, sind für eine Sonderausgabe der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics vorgesehen und haben das Peer-Review-Verfahren noch nicht abgeschlossen.

Die Himmelsabdeckung ist ebenfalls nur teilweise. Mit 14 % der geplanten Durchmusterung könnte die Stichprobe nicht den gesamten Himmel repräsentieren, und Wissenschaftler des Konsortiums fanden bei der Überprüfung der Verarbeitung einige Regionen, deren Datenqualität vom Rest abweicht.

„Das sind erst 14 % dessen, was Euclid letztlich liefern soll, aber wir können bereits sehen, dass sich die Versprechen, die vor mehr als zehn Jahren über die Bandbreite der wissenschaftlichen Vorhaben gemacht wurden, die Euclid unterstützen würde, zu bewahrheiten beginnen“, sagte Marc Sauvage, Astrophysiker an der französischen Behörde für alternative Energien und Atomenergie (CEA) und Leiter des Euclid-Konsortiums.

Fragen zur ersten Datenveröffentlichung von Euclid

Was enthält Euclids DR1-Foundation-Veröffentlichung?

Etwa 13 Monate Beobachtungen, die 1.900 Quadratgrad Himmel abdecken: rund 10.000 wissenschaftliche Bilder, Kataloge mit mehr als einer Milliarde Objekten, darunter über 900 Millionen Galaxien, Spektren von mehr als 160 Millionen Quellen, etwa 15.000 starke Linsenkandidaten und über 60 Millionen Quasarkandidaten. Insgesamt umfasst dies etwa 1,7 Millionen Gigabyte.

Was ist eine starke Gravitationslinse?

Sie entsteht, wenn eine massereiche Vordergrundgalaxie das Licht einer weit dahinter liegenden Galaxie ablenkt, sodass die Hintergrundgalaxie als Bögen, Ring oder mehrere Kopien erscheint. Das Ausmaß der Ablenkung gibt die Gesamtmasse der Vordergrundgalaxie einschließlich ihrer Dunklen Materie preis, und die Vergrößerung ermöglicht es Astronomen, Hintergrundgalaxien zu untersuchen, die sonst zu lichtschwach wären.

Wie viele Galaxien hat Euclid bisher kartiert?

Mehr als 900 Millionen Galaxien sind in dieser Veröffentlichung katalogisiert, die etwa 14 % der geplanten Durchmusterungsfläche abdeckt. Die ESA erwartet, dass die gesamte Mission etwa 1,5 Milliarden Galaxien katalogisieren wird.

Kann jeder Euclids Daten nutzen?

Ja. Die ESA hat die Veröffentlichung öffentlich zugänglich gemacht und hostet sie auf ihrer Plattform Euclid Data Space, wo Nutzer die Bilder, Kataloge und Spektren erkunden, visualisieren und analysieren können, ohne sie herunterladen zu müssen.

Wann wird Euclid die Dunkle Energie messen?

Nicht mit dieser Veröffentlichung. Die ESA und das Euclid-Konsortium planen die ersten kosmologischen Ergebnisse, die auf schwachen Gravitationslinsen und Galaxienhaufen basieren, für die vollständige erste Datenveröffentlichung Mitte 2027.

Kosmologische Ergebnisse werden Mitte 2027 erwartet

Euclid startete im Juli 2023 und begann am 14. Februar 2024 mit der routinemäßigen Durchmusterung. Die Beobachtungen in dieser Veröffentlichung wurden zwischen Frühjahr 2024 und Frühjahr 2025 gesammelt, und die ESA veröffentlichte sie am 12. November 2026. Die vollständige DR1 mit den ersten kosmologischen Ergebnissen wird für Mitte 2027 erwartet, und DR2 mit etwa der dreifachen Himmelsfläche ist für 2029 geplant.

Die erste starke Linse, der Zwillingsquasar, wurde 1979 identifiziert. Bis zum Ende seiner sechsjährigen Durchmusterung wird Euclid voraussichtlich mehr als 100.000 hochzuverlässige Linsenkandidaten finden – jede einzelne eine natürliche Waage, um die Dunkle Materie einer Galaxie zu wiegen.

Referenz: Euclid Collaboration: Lines et al., „Euclid Data Release 1 (DR1). Euclid Lens Identification Pipeline and Scientific Exploration (ECLIPSE) A: Strong lens catalogue overview,“ submitted to Astronomy & Astrophysics, 2026. arXiv:2611.15883. DOI: 10.48550/arXiv.2611.15883

Schlagwörter: Astronomie, esa, Dunkle Energie, Dunkle Materie, euclid, Galaxien