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VLT
Stern S2 folgt Einsteins Theorie
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik 
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26. Juli 2018

26 Jahre wurde mit Teleskopen in Chile beobachtet - jetzt haben Astronomen erstmals die von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten Auswirkungen auf die Bewegung eines Sterns feststellen können, der sich im extremen Gravitationsfeld in unmittelbarer Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße befindet.

Sterne im Zentrum der Milchstraße

Diese Simulation zeigt die Sternbahnen nahe dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Bild: ESO/L. Calçada / spaceengine.org [Großansicht]

 Das der Erde am nächsten gelegene supermassereiche Schwarze Loch liegt 26.000 Lichtjahre entfernt im Zentrum der Milchstraße. Dieses Gravitationsmonster, dessen Masse vier Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, ist von einer kleinen Gruppe von Sternen umgeben, die sich mit hoher Geschwindigkeit auf Umlaufbahnen befinden. Diese extreme Umgebung - das stärkste Gravitationsfeld in unserer Galaxie - macht sie zum perfekten Ort, um die Physik der Gravitation zu erforschen und insbesondere Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu testen.

Neue Infrarot-Beobachtungen der empfindlichen Instrumente GRAVITY, SINFONI und NACO, die unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) entwickelt wurden, haben es Astronomen nun ermöglicht, einem dieser Sterne, genannt S2, auf seiner Umlaufbahn zu folgen. Insbesondere konnten sie genau beobachten, wie er im Mai 2018 sehr nahe am Schwarzen Loch vorbeiflog. Die kürzeste Entfernung zwischen diesem Stern und dem Schwarzen Loch betrug weniger als 20 Milliarden Kilometer; der Stern bewegte sich dabei mit einer Geschwindigkeit von über 25 Millionen Kilometern pro Stunde - fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Das Team verglich die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen von GRAVITY bzw. SINFONI sowie aus früheren Beobachtungen von S2 mit anderen Instrumenten sodann mit den Vorhersagen der Newtonschen Gravitation, der allgemeinen Relativitätstheorie und auch anderen Gravitationstheorien. Die neuen Ergebnisse stehen im Widerspruch zu den Newtonschen Vorhersagen und sind in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie.

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Die Beobachtungen sind der Höhepunkt einer 26-jährigen Reihe von immer genaueren Beobachtungen des Zentrums der Milchstraße mit Instrumenten der ESO. "Dies 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 Auflösung beobachten", erklärt Reinhard Genzel vom MPE. "Seit mehreren Jahren haben wir uns intensiv auf dieses Ereignis vorbereitet, da wir bei dieser einmaligen Gelegenheit allgemein-relativistische Effekte beobachten wollten."

S2 umkreist das Schwarze Loch alle 16 Jahre in einer hochexzentrischen Umlaufbahn. Am nächstgelegenen Punkt zum Schwarzen Loch beträgt die Entfernung nur etwa 20 Milliarden Kilometer - 120-mal die Entfernung von der Erde zur Sonne oder etwa vier Mal die Entfernung von der Sonne zum Neptun. Dieser Abstand entspricht etwa dem 1500-fachen des Schwarzschildradius des Schwarzen Lochs selbst.

Die neuen Messungen zeigen deutlich einen Effekt, der als Gravitations-Rotverschiebung bezeichnet wird. Das Licht des Sterns wird durch das sehr starke Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs zu längeren Wellenlängen hin gestreckt. Und die Änderung der Wellenlänge des Lichts von S2 stimmt genau mit der Vorhersage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie überein. Dies ist das erste Mal, dass diese Abweichung von den Vorhersagen der einfacheren Newtonschen Gravitationstheorie in der Bewegung eines Sterns um ein supermassereiches Schwarzes Loch beobachtet wurde.

Das Team nutzte SINFONI, um die Geschwindigkeit von S2 relativ zur Erde zu messen, und das GRAVITY-Instrument im VLT-Interferometer (VLTI) zur außergewöhnlich präzisen Messung der Position von S2, um die Form seiner Umlaufbahn zu bestimmen. GRAVITY erzeugt so scharfe Bilder, dass die Bewegung des Sterns von Nacht zu Nacht sichtbar wird, wenn er – 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt – nahe am Schwarzen Lochs vorbeifliegt.

"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", ergänzt Frank Eisenhauer vom MPE. "Während des nahen Vorbeiflugs konnten wir auf den meisten Bildern sogar das schwache Glühen rund um das Schwarze Loch erkennen. Damit konnten wir den Stern auf seiner Umlaufbahn extrem genau verfolgen, was schließlich zur Erkennung der gravitativen Rotverschiebung im Spektrum von S2 führte."

Mehr als einhundert Jahre nach der Veröffentlichung der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie erweisen sich die Vorhersagen von Einstein einmal mehr als richtig – in einem viel extremeren Labor, als er es sich vorstellen konnte. "In dem extrem starken Gravitationsfeld erwarten wir allgemein relativistische Effekte zu sehen – aber nur, wenn wir genau genug beobachten können", sagt Stefan Gillessen vom MPE. "Deshalb mussten wir die Technologie bis an die Grenzen ausreizen: Mit SINFONI können wir die Radialgeschwindigkeit von Sternen sehr genau messen und GRAVITY liefert uns extrem scharfe Bilder und genaue Positionen."

Weitere Beobachtungen dürften schon bald einen weiteren relativistischen Effekt zeigen: eine kleine Rotation der Sternumlaufbahn, bekannt als Schwarzschild-Präzession - wenn sich S2 vom Schwarzen Loch entfernt. "Die ESO arbeitet seit über einem Vierteljahrhundert mit Reinhard Genzel und seinem Team sowie Mitarbeitern in den ESO-Mitgliedstaaten zusammen", so Xavier Barcons, Generaldirektor der ESO. "Es war eine große Herausforderung, die einzigartig leistungsfähigen Instrumente zu entwickeln, die für diese sehr empfindlichen Messungen benötigt werden, und sie am VLT in Paranal einzusetzen. Die heute bekannt gegebene Entdeckung ist das aufregende Ergebnis einer bemerkenswerten Partnerschaft."

Über die Beobachtungen berichten die Astronomen in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen ist.

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siehe auch
Milchstraße: 16 Jahre das Schwarze Loch im Blick - 10. Dezember 2008
Milchstraße: Nachweis des Schwarzen Lochs ausgezeichnet - 13. Juni 2008
Milchstraße: "Todesschrei" vom Rand des Schwarzen Lochs - 3. November 2003
VLT: Rasender Stern um das zentrale Schwarze Loch - 21. Oktober 2002
Links im WWW
Fachartikel in Astronomy & Astrophysics
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
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