Gravitationsbeugung

Gravitationsbeugung ist die Ablenkung von Licht oder anderen elektromagnetischen Wellen durch das Gravitationsfeld von Massen. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie folgen Lichtstrahlen Geodäten in gekrümmter Raumzeit, wodurch sich ihre Richtung ändert, wenn sie durch ein Gravitationsfeld hindurchtreten. Die Ablenkung hängt von der Masse des Hindernisses und dem Abstand der Lichtbahn ab und ist unabhängig von der Wellenlänge des Lichts.

Für eine Lichtbahn mit dem Bahndurchmesser b um ein massereiches Objekt der Masse M gilt in erster Näherung α ≈ 4GM/(c^2 b). Am Rand der Sonne, wenn der Bahndurchmesser dem Sonnenradius entspricht, beträgt die Ablenkung etwa 1,75 Bogensekunden. Größere Ablenkungen treten bei massereicheren oder kompakteren Objekten wie Galaxien oder Schwarzen Löchern auf.

Historisch wurde die Gravitationsbeugung erstmals 1915 in der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Die erste beobachtete Bestätigung erfolgte 1919 während einer Sonnenfinsternis durch Messungen von Eddington und Kollegen; seither wurden immer präzisere Bestätigungen erzielt. In den folgenden Jahrzehnten entwickelte sich der Begriff der Gravitationslinse (gravitational lensing) aus der Beugung zu einem vielseitigen astrophysikalischen Werkzeug weiter.

Gravitationslinse lässt sich in verschiedene Regime einteilen: weak lensing, das subtile Verzerrungen entfernter Galaxien durch großräumige Masseverteilungen beschreibt; strong lensing, bei dem mehrere Bilder, Lichtkegel oder Einstein-Ringe entstehen; microlensing, bei dem kompakte Objekte zeitlich veränderliche Helligkeitsänderungen verursachen. Diese Effekte ermöglichen Kartierungen von Dunkler Materie, Messungen von Massenprofilen ganzer Galaxienhaufen und die Bestimmung kosmologischer Parameter wie der Hubble-Konstante. Die Beugung ist ein wichtiger Test der Relativitätstheorie und ein leistungsfähiges Beobachtungswerkzeug in der modernen Astrophysik.