Im Schwerefeld des schwarzen Lochs

Astronomen gelingt erfolgreicher Test von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie im galaktischen Zentrum

Das gewichtige schwarze Loch mitten in der Milchstraße ist ein ideales kosmisches Labor für allerlei physikalische Tests. Denn sein extrem starkes Gravitationsfeld beeinflusst die Umgebung und wirkt sich auf die in der Nähe vorbeiziehenden Sterne aus. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik haben nun einen Effekt beobachtet, den Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vor mehr als 100 Jahren vorhergesagt hat. Die Entdeckung dieser Gravitations-Rotverschiebung ist der Höhepunkt einer 26-jährigen Beobachtungskampagne mit den Teleskopen der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile.

Farbwechsel: Diese Illustration zeigt den Stern S2 beim Vorübergang am schwarzen Loch im galaktischen Zentrum. Deutlich zu sehen ist die durch das extrem starke Schwerefeld verursachte Gravitations-Rotverschiebung.

Das der Erde am nächsten gelegene supermassereiche schwarze Loch lauert 26.000 Lichtjahre entfernt im Zentrum der Milchstraße. Die Schwerkraftfalle, deren Masse mehr als vier Millionen mal so groß ist wie die unserer Sonne, ist von einer kleinen Gruppe von Sternen umgeben, die mit hoher Geschwindigkeit ihre Bahnen ziehen. Diese Region mit dem stärksten Gravitationsfeld in unserer Galaxis ist ein perfekter Ort, um die Physik der Schwerkraft zu erforschen und insbesondere Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu testen.

Zur Beobachtung des galaktischen Zentrums nutzen die Astronomen empfindliche Instrumente wie Gravity, Sinfoni und Naco. Sie alle gehören zum Very Large Telescope der ESO, wurden unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik gebaut und mustern den Himmel im infraroten Licht. Nun richteten die Forscher ihr Augenmerk auf einen Stern namens S2 und verfolgten ihn auf seiner Umlaufbahn um das schwarze Loch, dem er vor ein paar Wochen besonders nahe kam.

So betrug die geringste Entfernung zwischen S2 und dem schwarzen Loch am 19. Mai ungefähr 14 Milliarden Kilometer. Der Stern bewegte sich dabei mit einem Tempo von mehr als 25 Millionen Kilometern pro Stunde – entsprechend nahezu drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Für einen vollständigen Umlauf benötigt er etwa 15 Jahre.

Die Wissenschaftler verglichen die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen von Gravity und Sinfoni sowie jene aus früheren Beobachtungen von S2 mit den Vorhersagen der Newtonschen Gravitationsphysik, der allgemeinen Relativitätstheorie und auch anderen Gravitationstheorien. Tatsächlich stehen die neuen Ergebnisse im Widerspruch zu den Newtonschen Vorhersagen, stimmen jedoch mit denen der allgemeinen Relativitätstheorie ausgezeichnet überein.

„Das ist das zweite Mal, dass wir den nahen Vorbeiflug von S2 um das schwarze Loch in unserem galaktischen Zentrum beobachtet haben. Aber diesmal konnten wir den Stern aufgrund der deutlich verbesserten Instrumentierung mit bisher unerreichter Detailauflösung verfolgen“, sagt Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München und Leiter des internationalen Teams von Wissenschaftlern.

Die neuen Messungen zeigen deutlich einen Effekt, der als Gravitations-Rotverschiebung bezeichnet wird: Das Licht des Sterns S2 wird durch das sehr starke Gravitationsfeld des schwarzen Lochs zu längeren Wellenlängen hingestreckt und erscheint daher rötlich. Und diese Änderung der Wellenlänge stimmt genau mit der Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie überein. Damit haben die Forscher zum ersten Mal diese Abweichung von den Vorhersagen der einfacheren Newtonschen Gravitationstheorie in der Bewegung eines Sterns um ein supermassereiches schwarzes Loch beobachtet.

Kosmischer Bienenschwarm: Die Simulation zeigt die Sternenbahnen nahe dem supermassereichen schwarzen Loch im Herzen der Milchstraße.

Das Team nutzte das Instrument Sinfoni, um die Geschwindigkeit von S2 relativ zur Erde zu messen. Gravity setzten die Astronomen ein, um die Positionen des Sterns außergewöhnlich präzise zu bestimmen und damit die Form seiner Umlaufbahn. In Verbindung mit der sogenannten Interferometrie, bei der das Licht mehrerer Teleskope zusammengeführt und überlagert wird, erzeugt Gravity extrem scharfe Bilder. Auf ihnen lässt sich die Bewegung des Sterns sogar von Nacht zu Nacht verfolgen, wenn er – 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt – nahe am schwarzen Loch vorbeizieht.

„Unsere ersten Beobachtungen von S2 mit Gravity vor etwa zwei Jahren haben bereits gezeigt, dass wir mit dem galaktischen Zentrum das perfekte Labor für die Erforschung eines schwarzen Lochs haben“, sagt Frank Eisenhauer vom Garchinger Max-Planck-Institut, der Hauptexperimentator von Gravity und Sinfoni ist. Während des nahen Vorbeiflugs sei auf den meisten Bildern sogar das schwache Glühen rund um das schwarze Loch zu erkennen. „Damit konnten wir den Stern auf seiner Umlaufbahn extrem genau verfolgen und schließlich die gravitative Rotverschiebung im Spektrum von S2 nachweisen.“

Mehr als 100 Jahre nach der Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie erweisen sich Einsteins Vorhersagen einmal mehr als richtig – in einem viel extremeren Labor, als er es sich vorstellen konnte. „In dem starken Gravitationsfeld um das schwarze Loch erwarten wir generell, relativistische Effekte zu sehen – aber nur, wenn wir genau genug beobachten können“, sagt Stefan Gillessen vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. „Deshalb mussten wir die Technologie bis an die Grenzen ausreizen.“

Weitere Messungen werden folgen und dürften schon bald auch noch einen anderen relativistischen Effekt zeigen: eine kleine Rotation der Sternumlaufbahn, bekannt als Schwarzschild-Präzession – wenn sich S2 vom schwarzen Loch entfernt.

HAE / HOR

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