Öffentlichkeit hilft bei der Suche nach Gravitationslinsen

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Mit dem Start von „Space Warps“, einem neuen Bürgerwissenschaftsprojekt auf der Plattform Zooniverse, kann sich die Öffentlichkeit nun aktiv an der Suche nach seltenen und schwer erkennbaren starken Gravitationslinsen beteiligen. Grundlage dafür sind bisher unveröffentlichte Aufnahmen des Weltraumteleskops Euclid der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Das Projekt zielt darauf ab, neue Erkenntnisse über die dunkle Materie in Galaxien zu Hinweise auf die rätselhafte dunkle Energie zu liefern.

Gravitationslinsen Euclid — Diese Aufnahme zeigt Beispiele für Gravitationslinsen, die Euclid während der ersten Beobachtungen der Deep-Field-Areale aufgenommen hat. © ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, Bildbearbeitung durch M. Walmsley, M. Huertas-Company, J.-C. Cuillandre (CC BY-SA 3.0 IGO)

„Warps“ in der Raumzeit sind nicht nur ein Thema für Science-Fiction-Werke wie Star Trek oder den Film Interstellar. In der Realität beobachten wir diesen Verzerrungseffekt der Gravitation auf die Raumzeit in Form des Gravitationslinseneffekts.

Die gewaltige Masse eines Objekts – etwa einer Galaxie oder eines Galaxienhaufens – verzerrt die Struktur der Raumzeit und beugt die Lichtstrahlen einer dahinter liegenden, fernen Galaxie. Durch diese Krümmung wirkt die Vordergrundgalaxie wie eine Lupe.

Das Licht des Hintergrundobjekts, das normalerweise verdeckt bliebe, bewegt sich nicht mehr geradlinig. Es krümmt sich stattdessen um die dazwischenliegende Masse herum, wodurch oft Mehrfachbilder, verzerrte Bögen oder sogar ein vollständiger Ring entstehen – ein sogenannter „Einsteinring“, wie er kürzlich von Euclid entdeckt wurde.

Starke Gravitationslinsen sind ein eindrucksvoller Beleg für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Sie verdeutlichen, dass Materie im Universum als natürliches Teleskop fungieren kann, das fernste Objekte sichtbar macht.

Das Weltraumteleskop Euclid der ESA revolutioniert die Untersuchung starker Gravitationslinsen durch hochempfindliche Aufnahmen weiter Himmelsareale in beispielloser Detailtiefe. Genau dies ist notwendig, um die seltenen Gravitationslinsen zu identifizieren.

Im März 2025 wurden in der ersten Veröffentlichung (Quick Data Release 1, Q1) fast 500 starke Linsen zwischen Galaxien identifiziert, die sich in nur 0,04 % der bisherigen Euclid-Daten verbargen. Die meisten davon waren zuvor völlig unbekannt. Dieser erste Katalog wurde durch die kombinierte Leistung von Bürgerwissenschaftler, maschinellem Lernen (ML) – einem Teilbereich der künstlichen Intelligenz (KI) – und Fachwissenschaftler erstellt.

Exklusiver Vorab-Einblick in neue Euclid-Aufnahmen

Während Euclid seine Himmelsdurchmusterung fortsetzt und täglich rund 100 GB an Daten zur Erde sendet, benötigen die ESA und das Euclid-Konsortium erneut die Unterstützung von Bürgerwissenschaftlern, um starke Gravitationslinsen in einem umfangreichen Datensatz zu identifizieren.

Zu diesem Zweck hat das Space-Warps-Team ein Citizen-Science-Projekt initiiert, das auf neuen Euclid-Aufnahmen basiert. Diese werden Bestandteil der künftigen Datenveröffentlichung „Data Release 1“ (DR1) sein. Da diese Daten noch nicht öffentlich zugänglich sind, bietet die Teilnahme an dem Projekt die exklusive Gelegenheit, vorab einen Blick auf die neuen Galaxien-Bilder des Teleskops zu werfen.

Im Fokus stehen dabei hochwertige Bilddaten, in denen sich zahlreiche bisher unbekannte starke Linsen verbergen. Insgesamt werden rund 300.000 Bilder gezeigt, die mittels ML-Algorithmen vorselektiert wurden. Die Kriterien für diese Auswahl wurden durch die Ergebnisse der ersten Euclid-Suche nach starken Linsen weiter verfeinert. Es handelt sich um die vielversprechendsten Kandidaten aus einer beeindruckenden Menge von 72 Millionen Galaxien in DR1, die durch ML-Algorithmen klassifiziert wurden. Fachleute erwarten, dass dieser herausragende Datensatz zur Entdeckung von mehr als 10.000 neuen Linsen führen wird.

Präzise Vorauswahl gegen die Datenflut

Forschende der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching waren maßgeblich an der Selektion der Daten für das Projekt „Space Warps“ beteiligt. Da Euclid für die Erfassung ferner Galaxien durch unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, blicken muss, ist es notwendig, störende Objekte wie Sterne, Nebel und andere Phänomene vorab zu identifizieren und aus dem Katalog zu entfernen. Erst danach kann die gezielte Suche nach Linsenkandidaten erfolgen.

„Beim ersten Durchlauf mit den Q1-Daten reduzierte dieser Schritt 29 Millionen Objekte auf lediglich eine Million, die anschließend mittels maschinellem Lernen und menschlicher Begutachtung genauer untersucht wurden“, erklärt LMU- und MPE-Doktorand Leon Ecker. Zusammen mit Maximilian Fabricius, Stella Seitz und Roberto Saglia (alle LMU und MPE) stellte Ecker jedoch fest, dass die ursprüngliche Auswahl zu grob gefasst war. Durch ein verfeinertes Verfahren identifizierten sie 27.000 zusätzliche Kandidaten. Dies führte zur Entdeckung von 72 weiteren starken Gravitationslinsen, die im ersten Ansatz unentdeckt geblieben waren – was 14 % der Gesamtfunde von fast 600 Objekten ausmacht.

„Der aktuelle DR1-Datensatz profitiert nun direkt von diesen Optimierungen. So wird verhindert, dass eine beträchtliche Anzahl potenzieller Entdeckungen übersehen wird“, ergänzt Ecker.
Welche Erkenntnisse liefern starke Gravitationslinsen?

Die Euclid-Mission untersucht die Expansion des Universums und die Entwicklung seiner Strukturen im Laufe der kosmischen Geschichte. Dabei stützt sie sich primär auf zwei Methoden: den schwachen Gravitationslinseneffekt und baryonische akustische Oszillationen. Ziel ist es, die Rolle der Gravitation sowie die Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie besser zu verstehen.

Starke Gravitationslinsen liefern ebenfalls wertvolle Beiträge zu diesen zentralen Fragestellungen. So ermöglichen sie es beispielsweise, einzelne Galaxien und Galaxienhaufen präzise zu „wiegen“. Dies gibt Aufschluss über die Gesamtmasse – bestehend aus sichtbarer und dunkler Materie – und macht deren Verteilung sichtbar. Durch die Untersuchung starker Linsen über verschiedene kosmische Epochen hinweg können Wissenschaftler die Expansion des Universums und deren Beschleunigung nachverfolgen. Dies liefert zusätzliche Erkenntnisse über die Wirkung der dunklen Energie.

„Der Erfolg der Kombination von KI mit der visuellen Überprüfung durch Freiwillige und Astronomen hat sich bei Space Warps bereits bewährt. Bei einer ersten, kleineren Euclid-Suche im Jahr 2024 konnten so hunderte exzellente Linsenkandidaten effizient identifiziert werden“, erklärt Aprajita Verma, Mitbegründerin von Space Warps und Projektleiterin an der University of Oxford.

„Der neue DR1-Datensatz ist dreißigmal umfangreicher als die ursprüngliche Suche. Zusammen mit unseren verbesserten Algorithmen erwarten wir, mehr als 10.000 hochwertige Linsenkandidaten zu finden. Das ist mehr als das Vierfache der Anzahl an Linsen, die seit der Entdeckung der ersten Gravitationslinse vor fast 50 Jahren insgesamt gefunden wurden.“

Dieser dramatische Fortschritt wird durch Euclid ermöglicht. Die Mission kann weite Himmelsareale mit bisher unerreichter Schärfe kartieren – eine ideale Voraussetzung, um seltene Objekte wie starke Gravitationslinsen aufzuspüren.

Über Euclid

Euclid wurde im Juli 2023 gestartet und nahm am 14. Februar 2024 den wissenschaftlichen Routinebetrieb auf. Ziel der Mission ist es, den verborgenen Einfluss von dunkler Materie und dunkler Energie auf das sichtbare Universum zu entschlüsseln. Über einen Zeitraum von sechs Jahren wird Euclid die Formen, Entfernungen und Bewegungen von Milliarden von Galaxien bis zu einer Entfernung von 10 Milliarden Lichtjahren untersuchen.

Euclid ist eine europäische Mission, die von der ESA gebaut und betrieben wird, mit Beiträgen der NASA. Das Euclid-Konsortium – bestehend aus mehr als 2.000 Wissenschaftler von 300 Instituten aus 15 europäischen Ländern sowie den USA, Kanada und Japan – ist für die Bereitstellung der wissenschaftlichen Instrumente und die Analyse der wissenschaftlichen Daten verantwortlich. Die ESA wählte Thales Alenia Space als Hauptauftragnehmer für den Bau des Satelliten und seines Servicemoduls; Airbus Defence and Space wurde mit der Entwicklung des Nutzlastmoduls einschließlich des Teleskops beauftragt. Die NASA lieferte die Detektoren für das Nahinfrarot-Spektrometer und ‑Fotometer (NISP). Euclid ist eine Mittelklassemission im Rahmen des Cosmic-Vision-Programms der ESA.

Der deutsche Beitrag

Euclid wurde im Juli 2023 gestartet und begann am 14. Februar 2024 mit seinen routinemäßigen wissenschaftlichen Beobachtungen. Es handelt sich um eine europäische Mission, die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gebaut wurde und betrieben wird, mit Beiträgen ihrer Mitgliedsstaaten und der NASA. Das Euclid-Konsortium – bestehend aus mehr als 2000 Wissenschaftler aus 300 Instituten in 15 europäischen Ländern, den USA, Kanada und Japan – ist für die Bereitstellung der wissenschaftlichen Instrumente und die wissenschaftliche Datenanalyse verantwortlich. Die ESA wählte Thales Alenia Space als Hauptauftragnehmer für den Bau des Satelliten und seines Servicemoduls aus, während Airbus Defence and Space mit der Entwicklung des Nutzlastmoduls, einschließlich des Teleskops, beauftragt wurde. Die NASA stellte die Detektoren des Nahinfrarot-Spektrometers und ‑Photometers (NISP) zur Verfügung.

Aus Deutschland sind das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, die Ludwig-Maximilians-Universität München, die Universität Bonn, die Ruhr-Universität Bochum, die Universität Bielefeld und die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn am Euclid-Projekt beteiligt.

Die Deutsche Raumfahrt-Agentur im DLR koordiniert die deutschen ESA-Beiträge und fördert die beteiligten deutschen Forschungsinstitute mit 60 Millionen Euro aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm.

Mit rund 21 % ist Deutschland der wichtigste Beitragszahler zum Wissenschaftsprogramm der ESA.

Link zur Pressemitteilung des MPIA