Extremer Orbit führt Stern S301 durch Raumzeit-Strudel im Zentrum der Milchstraße
Ein neu entdeckter Stern kommt dem zentralen schwarzen Loch unserer Galaxie rekordverdächtig nah. Durchkreuzt der Stern die rotierende Raumzeit, beeinflusst das seine Umlaufbahn messbar
Auf den Punkt gebracht:
- Entdeckung von S301: Forschende des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik haben den Stern S301 entdeckt, der das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße, Sagittarius A* (Sgr A*), näher und schneller umkreist als jeder andere dort bekannte Stern. Die Umlaufzeit auf seiner elliptischen Bahn beträgt 8,7 Jahre und seine minimale Entfernung zum schwarzen Loch entspricht der Distanz von Sonne und Saturn.
- Herausfordernde Beobachtung: Der Stern S301 ist extrem lichtschwach – zwei Milliarden Mal schwächer als Beteigeuze, einer der hellsten Sterne im Sternbild Orion – und blieb daher bislang unerkannt. Nur durch das hochmoderne Instrument Gravity am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte und neue Analysemethoden gelang es, den Stern nachzuweisen und auf seinem Orbit um Sgr A* zu verfolgen.
- Direkte Messung rotierender Raumzeit: In den Umlaufbahnen der Sterne um das schwarze Loch zeichnen sich relativistische Effekte der gekrümmten Raumzeit ab. Durch die besondere Nähe des Sterns S301 zu Sgr A* sollte dieser durch die mit dem schwarzen Loch rotierende Raumzeit auf seiner Bahn beeinflusst werden. Nach etwa zehn Jahren sollten sich so grundlegende Aspekte der Allgemeinen Relativitätstheorie wie die sogenannte Kerr-Metrik rotierender schwarzer Löcher und das „No-Hair“-Theorem überprüfen lassen.
- Bessere Teleskope erlauben bessere Messungen: Die Instrumente Gravity am Very Large Telescope Interferometer und das das künftige Micado-Instrument am Extremely Large Telescope (im Bau), beide Teleskope der Europäischen Südsternwarte mit Hauptsitz in Garching bei München, bieten eine beispiellose Auflösung und Empfindlichkeit für die Untersuchung von Sternen in der Nähe des galaktischen Zentrums.
Ein Team der Infrarot- und Submillimeter-Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik hat einen neuen Stern entdeckt. S301 kommt dem supermassereiche schwarzen Loch Sagittarius A* (Sgr A*) im Zentrum unserer Milchstraße näher, als jeder andere bekannte Stern. Der neu identifizierte Himmelskörper S301 umkreist das schwarze Loch auf einer stark elliptischen Bahn. Er nähert sich Sagittarius A* bis auf zwölf astronomische Einheiten an – grob der Entfernung zwischen Sonne und Saturn. Niemals zuvor wurde ein Stern mit kürzerer Umlaufzeit und engerer Bahn um das schwarze Loch im galaktischen Zentrum beobachtet.
Noch bedeutender: S301 bewegt sich durch einen Bereich, in dem die Rotation des schwarzen Lochs die Raumzeit selbst mit sich zieht. Dieser Effekt tritt nur in unmittelbarer Nähe eines massereichen, sich drehenden Objekts auf. „S301 untersucht die Raumzeit im galaktischen Zentrum zehnmal näher an Sagittarius A* als unser bisher bester Stern, S2“, sagt Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Nobelpreisträger für Physik 2020. „Innerhalb des nächsten Jahrzehnts messen wir die Rotation des schwarzen Lochs direkt – ein Meilenstein für die Allgemeine Relativitätstheorie.“
Ein fast unsichtbarer Stern
S301 leuchtet zwei Milliarden Mal schwächer als Beteigeuze, einer der hellsten Sterne im Sternbild Orion. Das Licht des Sterns S301 ist so schwach, dass er selbst in den besten Aufnahmen des galaktischen Zentrums nur als schwacher Punkt erscheint, verloren zwischen zahlreichen deutlich helleren Sternen.
Erstmals identifiziert wurde S301 im Frühjahr 2023 mit dem Gravity-Instrument am Very Large Telescope Interferometer der Europäischen Südsternwarte, ESO, in Chile. Entwickelt in internationaler Kooperation unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, kombiniert Gravity das Licht von vier 8-Meter-Teleskopen und erreicht eine 40-mal bessere Bildauflösung als die eines einzelnen 8-Meter-Teleskops. Das kürzlich abgeschlossene Upgrade des Gravity Instruments zu Gravity+ mit einem neuen adaptiven Optiksystem und Laserleitsternen erhöhte zudem die Lichtempfindlichkeit um den Faktor 10 bis 100. Diese beispiellose Genauigkeit und Sensitivität ermöglichten die Entdeckung des neuen, kaum sichtbaren Sterns S301.
Dank seiner außergewöhnlichen Auflösung kann Gravity im Zentrum der Milchstraße selbst bei einer Distanz von etwa 27.000 Lichtjahren extrem lichtschwache Sterne auf Skalen beobachten, die mit der Größe unseres Sonnensystems vergleichbar sind. Die Entdeckung von S301 ist das Ergebnis von vier Jahrzehnten Geduld und systematischer Beobachtung durch das Team am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. In dieser Zeit haben die Forschenden die Region um Sagittarius A* mit stetig wachsender Präzision kartiert, um die Bewegungen der Sterne zu vermessen und die Masse im Zentrum unserer Galaxie zu bestimmen.
Zwei relativistische Effekte: einer groß, einer winzig
Die Bahn von S301 weicht deutlich von einer Ellipse ab, wie sie die klassische Gravitationstheorie nach Newton vorhersagt. Das ist ein klares Anzeichen für relativistische Effekte, die nur in der Nähe eines massereichen, rotierenden schwarzen Lochs auftreten. Zwei Phänomene spielen dabei eine Rolle:
- Schwarzschild-Präzession: Ist der Raum um eine zentrale Masse, wie in diesem Fall das supermassereiche schwarze Loch, gekrümmt, wirkt sich dies auf die Umlaufbahnen der Objekte in seiner Umgebung aus. Beim Stern S2, der ebenfalls das schwarze Loch im Galaktischen Zentrum umkreist, wurde bereits nachgewiesen, dass sich der Punkt seiner größten Annäherung an das schwarze Loch mit der Zeit langsam verschiebt – auch als Periapsisdrehung bezeichnet. Ursache ist die Krümmung von Raum und Zeit, die allein durch die gewaltige Masse des schwarzen Lochs entsteht. Die sogenannte Schwarzschild-Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie beschreibt die gekrümmte Raumzeit um eine nicht rotierende Masse und ist gut geeignet, um die Bahn von S2 zu beschreiben.
- Lense-Thirring-Effekt (Frame-Dragging-Effekt): Bei dem neu entdeckten Stern S301 dürfte die Beschreibung der Gesetze der Schwerkraft mit der Schwarzschild-Lösung nicht mehr ausreichen. Denn der Stern kommt dem schwarzen Loch so nah, dass er spüren sollte, wie das schwarze Loch rotiert und dabei die umgebende Raumzeit mit sich zieht, ähnlich wie ein rotierender Löffel, der das Wasser in einer Tasse in Bewegung setzt. Der Effekt ist deutlich schwächer und daher schwieriger nachzuweisen. Mit S301 wurde nun der erste Stern gefunden, der diesen Effekt erfahren und messbar machen könnte.
Animation des Lense-Thirring-Effekts
„S301 ist der erste Stern, der direkt in dem Bereich um Sagittarius A* kreist, in dem der Lense-Thirring-Effekt der Raumzeit extrem ist“, erläutert Felix Mang, Doktorand am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und korrespondierender Autor der in Nature veröffentlichten Studie. „Wir messen nicht nur die Krümmung der Raumzeit; wir messen, wie sie durch die Rotation des schwarzen Lochs selbst verzerrt wird. Das ist einzigartig.“
Bisher Unsichtbares sichtbar machen
Einen solchen Stern zu verfolgen ist technische höchst anspruchsvoll. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler analysierten Beobachtungsdaten der letzten Jahre und Jahrzehnte, aufgenommen mit einer Auflösung von nur wenigen Millibogensekunden – vergleichbar mit der Größe eines Autos auf dem Mond. Die Position des Sterns wurde so im Rahmen zahlreicher Beobachtungen über viele Jahre hinweg verfolgt.
Bislang war es unmöglich, ein derart lichtschwaches Objekt nachzuweisen – vor allem aufgrund des extremen Helligkeitskontrasts zwischen S301 und den anderen, viel helleren Sternen, die das schwarze Loch umkreisen. Diese erscheinen etwa 100.000-mal heller als S301. Mithilfe einer neuen, vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik entwickelten Datenanalysemethode ist es nun gelungen, das schwache Signal herauszufiltern. Das ist vergleichbar mit dem Versuch, ein Glühwürmchen im Licht mehrerer Flutlichter zu erkennen.
„Wir hoffen, in den nächsten 15 Jahren den Spin des schwarzen Lochs zu messen“
Der Stern S301 erfährt die Rotation des schwarzen Lochs
Ein entscheidender Vorteil von S301 gegenüber der Beobachtung des diffusen heißen Gases um schwarze Löcher (wie beispielsweise das vom Event Horizon Telescope in M87 abgebildete schwarze Loch) besteht darin, dass sich die Bewegung direkt beobachten lässt. Sobald man die Positionsmessungen des Sterns mithilfe des Gravity+ Instruments mit zukünftigen Bewegungsdaten (Radialgeschwindigkeit) des Sterns mithilfe des Micado Instruments am im Bau befindlichen Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte kombinieren wird, wird das Team die dreidimensionale Bewegung des Sterns präzise rekonstruieren und erstmals den Spin von Sagittarius A* direkt bestimmen können.
„Wir sind schneller, präziser und direkter“, sagt Reinhard Genzel. „Mit S301 messen wir die rotierende Raumzeit selbst – nicht indirekt über ein Bild, sondern direkt über die Bewegung eines einzelnen Sterns.“
Sterne umkreisen das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße
Sehen, was niemand zuvor gesehen hat
Die Beobachtung von S301 ist Teil einer langfristigen Vision: die Kerr-Metrik zu prüfen, die mathematische Beschreibung der Raumzeit um ein rotierendes schwarzes Loch. Stefan Gillessen, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Autor der Studie, erklärt: „Langfristig könnte die Analyse der Bahn von S301 sogar Hinweise auf das No-Hair-Theorem liefern – die Aussage, dass ein schwarzes Loch vollständig durch nur drei Eigenschaften beschrieben wird: Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung.“
„Die Schönheit der Natur in Form dieses Sterns zu entdecken, ist ein wahr gewordener Traum. Mit Gravity+ und dem kommenden Micado-Instrument, das wir derzeit in einer internationalen Kooperation unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik für das Extremely Large Telescope entwickeln, werden wir fremde Welten erkunden, neue Physik entdecken und sehen, was niemand zuvor gesehen hat“, sagt Frank Eisenhauer, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und leitender Wissenschaftler der Gravity-Projekte.
Stern auf Tuchfühlung mit schwarzem Loch
Hintergrundinformationen im Video
Schwarzes Loch im Herzen der Milchstraße
So funktioniert das GRAVITY+ Instrument des Very Large Telescope Interferometers
Animierte Umlaufbahn des Sterns S301 um das Galaktische Zentrum
Zoom auf das galaktische Zentrum
Hintergrundinformationen
Das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik erforscht physikalische und chemische Prozesse im Universum – von der Stern- und Planetenentstehung bis hin zu den Ursprüngen des Lebens. Es ist besonders bekannt für den Nachweis, dass Sagittarius A* ein supermassereiches schwarzes Loch ist – eine Entdeckung, für die MPE-Direktor Reinhard Genzel 2020 den Nobelpreis für Physik erhielt.
Anfang November 2025 wurden über dem Paranal-Observatorium der ESO in Chile vier Laser in den Himmel abgefeuert, von denen jeder einen künstlichen Stern erzeugte, um Astronominnen und Astronomen dabei zu helfen, atmosphärische Unschärfe zu messen und zu korrigieren. Dieser beeindruckende Start – jeweils einer von jedem der 8-Meter-Teleskope – markiert einen wichtigen Meilenstein des vom MPE geleiteten Gravity+-Projekts, das die Fähigkeit des VLTI, schwächere Objekte zu beobachten und einen größeren Teil des südlichen Himmels abzudecken, erheblich verbessert.
Das Instrument Gravity am Very Large Telescope Interferometer und sein Upgrade Gravity+ entstanden in einem vom MPE geleiteten Konsortium in enger Zusammenarbeit mit Institutionen aus Belgien, Frankreich, Deutschland, Irland, Mexiko, Portugal sowie dem Vereinigten Königreich und wurde maßgeblich durch die Max-Planck-Förderstiftung unterstützt. Die Europäische Südsternwarte (ESO) ist eine intergouvernementale Organisation, die von 16 Mitgliedstaaten und zwei assoziierten Ländern getragen wird. Sie entwickelt, baut und betreibt führende bodengebundene Observatorien – mit Hauptsitz in Deutschland und drei Standorten in Chile. Die ESO ermöglicht Forschenden weltweit, bahnbrechende astronomische Fragen zu untersuchen und das öffentliche Interesse an der Astronomie zu fördern.
