Kaustik

Dieser kleine Exkurs in die Optik soll ein Wort etwas entmystifizieren, das die Wissenschaftler ständig in den Mund nehmen, wenn von gewichtigen Gesellen im Universum die Rede ist: Kaustiken...

Es gibt einen kleinen Interpretationsunterschied zwischen Gravitationslinsenphysikern und Photoniker. Erstere stellen den Auffangschirm für ihre Kaustik senkrecht zur Strahlrichung, während man in der Optik üblicherweise mit Kaustik die Envolute (Einhüllende) eines Strahlbündels oder einen achsparallelen Schnitt durch dieses meint.

Klassische (geometrische) Optik

Betrachten wir zunächst wieder optische Linsen aus Glas, wie man sie von jeder Brille kennt. In jedem Schulbuch wird der theoretische Fall einer perfekten Konvexlinse behandelt, hinter der sich alles Licht in einem Punkt sammelt. Das ist ein einfach zu behandelnder Idealfall, der allerdings meist nicht der Realität entspricht. Abbildungsfehler verhindern dieses perfekte Verhalten; Randstrahlen werden nicht mehr in den selben Punkt gebündelt wie Zentrumstrahlen. ideale Linse (lt. Schulbuch) fehlerhafte Linse mit Kaustikenvolute

Das obige Bild veranschaulicht die Entstehung der Kaustik mit einfachen Lichtstrahlen, dem simpelsten Modell, das die Ausbreitung des Lichts beschreibt. Die Physik behandelt das Phänomen im Wellenmodell: Die auftreffenden Wellen werden abhängig von ihrem Abstand zur optischen Achse unterschiedlich stark in der Linse gebrochen. Nach Huygens bilden sich hernach die interferierenden Wellen Fronten aus, die eben jene Envolute haben. Eine Kaustik ist also die Summe aller Punkte, in der sich mehrere Wellenfronten konstruktiv überlagern. Die Superposition der der Wellen ergibt eine Erhöhung der Amplitude, also in diesem Fall eine Verstärkung der Lichtintensität.

Gravitationslinsen

Der fett geschriebene Satz gilt natürlich auch hier -- andernfalls hieße das Phänomen wohl nicht "Kaustik". :-) Jedoch ist der Mechanismus hier ein anderer als bei den klassischen Linsen. Die Gravitationslinse kann - wie beschrieben - kein Licht erzeugen. Stattdessen verteilt sie die vorhandene Strahlung der Quelle lediglich derart um, dass mehr (bzw., in selteneren Fällen weniger) Licht in unsere Detektoren gelangt. Projiziert man die Figur der Lichtstrahlen in die Ebene der Quelle, ergibt sich dort ein Interferenzmuster: man sieht deutlich, dass manche Regionen bevorzugt sind. Dort gibt es besonders viele Lichtstrahlen, also eine hohe Lichtverstäkung.

Entstehung der Kaustik

Auffällig ist außerdem, dass das Bild umgekehrt wird: Strahl 1 und 2 tauschen ihre Lage in Quell- und Beobachterebene, also "oben" wird "unten" (oder "rechts" wird "links"). Die Kaustik ist ein Phänomen der Quellebene. Insofern kann sie auch auf diese Art und Weise sichtbar gemacht werden: Laut Fermat ist der Lichtweg umkehrbar. Man stelle also eine Lampe vor eine "Gravitationslinse" aus Glas [Achtung: solche sind nicht leicht und nur zu hohen Preisen herstellbar!] und fange das Licht hinter der Linse wieder auf einem Schirm auf. Ergebnis: auf dem Schirm erscheint eine Kaustik.