Die Expansion des Universums mit kosmischem Feuerwerk messen

Dass sich das Universum ausdehnt, ist seit fast hundert Jahren bekannt – doch wie schnell genau? Diese Frage ist heftig umstritten und stellt das Standardmodell der Kosmologie infrage. Ein Forschungsteam an der LMU, der TUM und den Max-Planck-Instituten für Astrophysik (MPA) und für extraterrestrische Physik (MPE) hat nun eine außergewöhnlich seltene Supernova, getauft auf den Namen SN Winny, identifiziert. Sie könnte einen neuen Weg eröffnen, die Expansionsgeschwindigkeit des Universums zu bestimmen.

„Die Tatsache, dass dieses System eine wenig bekannte, sehr leuchtstarke Supernova ist, macht es besonders einzigartig“, sagt LMU-Physiker Leon Ecker, Erstautor einer im Fachmagazin Astronomy & Astrophysics eingereichten Arbeit, in der diese Ergebnisse beschrieben werden. „Es eignet sich ideal, um einen präzisen Wert für die Hubble-Konstante abzuleiten.“

Bei der neu entdeckten Supernova handelt es sich um eine seltene, superleuchtkräftige Sternexplosion in rund zehn Milliarden Lichtjahren Entfernung, die weit heller ist als gewöhnliche Supernovae. Gleichzeitig ist sie noch aus einem weiteren Grund besonders: Durch den sogenannten Gravitationslinseneffekt erscheint dieselbe Explosion gleich fünfmal am Nachthimmel – wie ein kosmisches Feuerwerk.

Zwei Vordergrundgalaxien krümmen das Licht der Supernova auf seinem Weg zur Erde und zwingen es, unterschiedliche Wege einzuschlagen. Weil diese Wege leicht unterschiedlich lang sind, erreicht das Licht uns zeitversetzt. Aus den Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern lässt sich die heutige Expansionsrate des Universums – die Hubble-Konstante – bestimmen.

Sherry Suyu, Professorin für Beobachtende Kosmologie an der TUM und Fellow am Max-Planck-Institut für Astrophysik, erklärt: „Wir haben diese Supernova SN Winny getauft – in Anlehnung an ihre offizielle Bezeichnung SN 2025wny. Es ist ein extrem seltenes Ereignis, das für unser Verständnis des Kosmos eine Schlüsselrolle spielen könnte. Die Wahrscheinlichkeit, eine superleuchtkräftige Supernova zu finden, die sich genau hinter einer Gravitationslinse befindet, liegt unter eins zu einer Million.“

Hochauflösendes Farbbild einer einzigartigen Supernova

Supernovae hinter Gravitationslinsen sind so selten, dass bislang nur wenige solcher Messungen versucht wurden. Die Genauigkeit einer solchen Messung hängt stark davon ab, wie gut man die Massen der Galaxien bestimmen kann, die als Linse wirken, denn diese entscheiden darüber, wie stark das Licht der Supernova abgelenkt wird. Um diese Massen zu messen, nutzte das Team das Large Binocular Telescope in Arizona mit seinen zwei Spiegeln von je 8,4 Metern Durchmesser und einem adaptiven Optiksystem, das atmosphärische Unschärfen korrigiert. Das Ergebnis ist das einzige bislang veröffentlichte hochauflösende Farbbild dieses Systems.

„Die Ergebnisse bestätigen eindeutig, dass das fünfte Bild echt ist und dieselbe Farbe wie die anderen vier hat“, sagt Roberto Saglia (LMU/MPE). „Die Positionen der fünf SN-Winny-Bilder sind nun präzise genug, um als Grundlage für ein detailliertes Massenmodell zu dienen.“

Die Aufnahme zeigt die beiden Linsengalaxien im Zentrum sowie überraschenderweise fünf bläuliche Abbilder der Supernova, die an ein explodierendes Feuerwerk erinnern. Das ist ungewöhnlich, denn Linsensysteme auf Galaxienskala erzeugen normalerweise nur zwei oder vier Abbilder. Mithilfe der Positionen aller fünf Abbilder erstellten der LMU-Doktorand Leon Ecker (LMU) und der Masterstudent Allan Schweinfurth (TUM), Nachwuchswissenschaftler im Team, das erste Modell der Massenverteilung der Linse. Es wird dazu beitragen, einen genauen Wert für die Hubble-Konstante zu erhalten.

Zwei Methoden, zwei sehr unterschiedliche Ergebnisse

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Bislang stützen sich Forschende vor allem auf zwei Methoden zur Bestimmung der Hubble-Konstante – doch diese liefern widersprüchliche Ergebnisse. Dieses Rätsel ist als Hubble-Spannung bekannt.

Die erste Methode ist lokal: Entfernungen zu Galaxien werden Schritt für Schritt bestimmt, ähnlich wie beim Erklimmen einer Leiter, bei dem jeder Schritt vom vorherigen abhängt – daher der Begriff kosmische Entfernungsleiter. Objekte mit bekannter Helligkeit liefern Entfernungen, die anschließend mit den Fluchtgeschwindigkeiten der Galaxien verglichen werden. Da viele Kalibrierungsschritte nötig sind, können sich selbst kleine Fehler aufsummieren und das Endergebnis beeinflussen.

Die zweite Methode blickt weit in die Vergangenheit. Sie untersucht die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung – das schwache Nachleuchten des Urknalls – und nutzt Modelle des frühen Universums, um die heutige Expansionsrate zu berechnen. Dieser Ansatz ist sehr präzise, beruht jedoch stark auf Annahmen über die Entwicklung des Universums, die nicht unumstritten sind.

In einem Schritt zur Hubble-Konstante

Nun kommt eine dritte, unabhängige Methode ins Spiel: die Beobachtung einer Supernova durch eine Gravitationslinse. Stefan Taubenberger, Erstautor der Studie zur Identifikation von SN Winny, erklärt, dass sich aus den Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern der Supernova und der bekannten Massenverteilung der Linse die Hubble-Konstante direkt berechnen lässt: „Im Gegensatz zur kosmischen Entfernungsleiter ist dies eine Messung in einem Schritt mit weniger und völlig anderen Quellen systematischer Unsicherheiten.“

Astronominnen und Astronomen weltweit beobachten SN Winny derzeit intensiv mit bodengebundenen und weltraumgestützten Teleskopen, darunter auch das Wendelstein-Observatorium der LMU und das Hobby Eberly Telescope in Texas, für das die LMU eine Partnerinstitution ist. „Es ist besonders spannend, wenn man etwas zum ersten Mal beobachten kann, wie bei dieser durch Gravitationslinsen verstärkten superhellen Supernova. Glücklicherweise verfügen wir über die erforderlichen Teleskope, um diese Gelegenheit voll auszuschöpfen“, sagt Daniel Grün, Professor für Astrophysik, der die laufende Beobachtungskampagne der LMU organisiert. Ihre Ergebnisse werden entscheidende neue Erkenntnisse liefern und helfen, die langjährige Hubble-Spannung aufzuklären.

Ecker, Schweinfurth et al: HOLISMOKES XX. Lens models of binary lens galaxies with five images of Supernova Winny - arXiv (arXiv: 2602.16620), eingereicht und noch zum PeerReview bei Astronomy & Astrophysics (A&A).

Taubenberger et al.: HOLISMOKES XIX: SN 2025wny at z = 2, the first strongly lensed superluminous supernova, akzeptiert zur Publikation in Astronomy & Astrophysics (A&A), December 2025. Preprint verfügbar auf arXiv (arXiv:2510.21694)