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Tests der Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße

26. Juli 2018

Zum ersten Mal haben Astronomen die von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Effekte für die Umlaufbahn eines Sterns um das zentrale supermassereiche Schwarze Loch unserer Heimatgalaxie eindeutig nachgewiesen. Ihre Messungen fanden während der Annäherung eines bestimmten Sterns an das Schwarze Loch im Mai 2018 statt. Die erforderliche hohe Messgenauigkeit wurde durch das GRAVITY-Instrument am Very Large Telescope der ESO erreicht. Das Instrument nutzt die Welleneigenschaften des Lichts, um die Abstände zwischen Punktquellen mit hoher Genauigkeit zu vermessen.

Simulation von Sternbahnen rund um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Bild vergrößern
Simulation von Sternbahnen rund um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße.

Das zentrale Schwarze Loch unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, ist eines der am besten untersuchten Schwarzen Löcher im Kosmos. Die Informationen über Masse und Kompaktheit des Schwarzen Lochs stammen dabei aus der Untersuchung von Sternen, die das Schwarze Loch im galaktischen Zentrum in vergleichsweise geringer Entfernung umkreisen. Nun hat ein Team von Astronomen unter Leitung von Reinhard Genzel (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik), zu dem auch die Astronomen Wolfgang Brandner und Thomas Henning vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) gehören, die bisher detaillierteste solche Bewegungsstudie veröffentlicht. 

Mit dem am MPIA mitentwickelten Instrument GRAVITY für das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte konnten die Astronomen die Umlaufbahn des Sterns S2 während der größten Annäherung jenes Sterns an das Schwarze Loch beobachten. Das Ergebnis zeigt deutlich die Auswirkungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie auf die Umlaufbahn des Sterns - der erste sichere Nachweis solcher relativistischen Effekte bei einer Sternumlaufbahn um ein Schwarzes Loch.

Ein kompaktes Objekt im Zentrum unserer Galaxie

Nach heutigem Kenntnisstand sind supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien die Regel, nicht die Ausnahme. Sobald die astronomischen Teleskope Mitte der 90er Jahre hinreichend leistungsfähig wurden, begannen eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Reinhard Genzel am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und einige Jahre später auch eine Gruppe unter der Leitung von Andrea Ghez an der UCLA die Bewegung von Sternen in der Nähe des galaktischen Zentrums zu verfolgen. Die dabei gewonnenen Daten zeigen deutlich, dass die betreffenden Sterne ein Objekt mit einer Masse von etwa 4 Millionen Sonnenmassen umkreisten. Das Objekt ist für die verwendeten Nahinfrarotteleskope fast unsichtbar, war aber schon früher von Radioastronomen als Radioquelle „Sagittarius A*" (ausgesprochen „Sagittarius A Stern“) nachgewiesen worden.

Die Beobachtung von Sternen, die sehr nah an der zentralen Masse vorbeilaufen, zeigt, dass das Objekt für seine große Masse sehr klein ist. Auf diese Weise konnten die Astronomen alle anderen bekannten astronomischen Objekte (wie z.B. sehr kompakte Sternhaufen), die die Masse liefern könnten, ausschließen. Nach unserem besten Wissen ist das zentrale Objekt tatsächlich ein Schwarzes Loch, wie es in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beschrieben wird: eine Region, deren Masse so kompakt konzentriert ist, dass nicht einmal Licht der Gravitationskraft dieser Region entgehen kann; Materie und Licht können hineinfallen, aber was hineingefallen ist, kann nicht wieder hinausgelangen. Man nimmt an, dass die Radiowellen von einer Plasmascheibe ausgestrahlt werden, in der Materie das Schwarze Loch umkreist, bevor sie auf Nimmerwiedersehen hineinfällt.

Diese definierende Eigenschaft eines Schwarzen Lochs macht es unmöglich, Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie für das Innere eines Schwarzen Lochs zu testen. Die jetzt veröffentlichte Studie tut das Nächstbeste: Sie testet die Vorhersagen für Gravitationseffekte in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs und insbesondere die Abweichungen der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von den Vorhersagen der klassischen, Newtonschen Gravitation.

Astronomische Geometrie mit Lichtwellen

Für Tests der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie gab es jüngst einen besonders günstigen Moment: Die Umlaufbahn Sterns S2 um das Schwarze Loch, von dem besonders viele Beobachtungsdaten vorliegen, ist etwas exzentrisch – sie ist kein Kreis, sondern eine Ellipse. Während der größten Annäherung des Sterns an das Schwarze Loch, genannt Perizentrum oder Peribothron (letzteres aus dem Griechischen bothrosfür Loch oder Grube), ist die Geschwindigkeit von S2 am höchsten und erreicht Werte von rund 7650 Kilometer pro Sekunde, was 2,6% der Lichtgeschwindigkeit entspricht. 

Alle 16 Jahre (entsprechend der Umlaufzeit von S2) bieten sich damit besonders günstige Bedingungen für die Beobachtung relativistischer Effekte, die bei hohen Geschwindigkeiten und bei der Annäherung eines Objekts an eine Masse am stärksten ausgeprägt sind. Die letzte Annäherung fand am 19. Mai 2018 statt. Genzel sagt: "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." Im Vergleich zu den vorangehenden Beobachtungen bei der letzten maximalen Annäherung im Jahr 2002 hat sich die Beobachtungsgenauigkeit um mehr als den Faktor 10 erhöht.  

Selbst unter diesen günstigen Bedingungen sind die relativistischen Effekte vergleichsweise gering und erfordern daher eine hohe Beobachtungsqualität. Als Schlüsselinstrument nutzten die Astronomen GRAVITY, ein Instrument, das genau für diese Anwendung entwickelt wurde. GRAVITY kann Nah-Infrarot-Licht von allen vier 8-Meter-Teleskopen des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile auf eine Weise kombinieren, die die Welleneigenschaften des Lichts nutzt, unter Verwendung einer Technik, die als Interferometrie bekannt ist. Ein besonderer Vorteil der Interferometrie besteht darin, dass sie es den Astronomen ermöglicht, die relative Position von zwei Punktlichtquellen mit höchster Präzision zu bestimmen. 

Mit GRAVITY konnten die Astronomen die Annäherung von S2 an das Schwarze Loch mit einer Genauigkeit von besser als 30 Mikrobogensekunden verfolgen – damit könnte man die relative Position zweier Kerzen auf dem Mond mit einer Genauigkeit von besser als 6 Zentimetern bestimmen. Wolfgang Brandner (MPIA), Co-Investigator (Co-I) für das Projekt GRAVITY, sagt: "GRAVITY ist so empfindlich, dass wir mit weniger als fünf Minuten Belichtungszeit die Infrarotstrahlung der Materie im nahen Orbit um das Schwarze Loch erfassen können – erst so werden diese hochpräzisen Positionsmessungen überhaupt erst möglich. Das MPIA war für die Adaptive Optic (AO) von GRAVITY verantwortlich. Diese Systeme gleichen den störenden Einfluss der Erdatmosphäre auf das Licht entfernter Objekte aus und schaffen so die Voraussetzungen für die interferometrischen Messungen.“

Für die Auswertung wurden die GRAVITY-Daten mit Daten von zwei weiteren VLT-Instrumenten kombiniert: dem SINFONI-Spektrographen, der verfolgt, wie sich S2 direkt zu uns hin oder von uns weg bewegt, und Bildern des NACO-Instruments, das ebenfalls am MPIA mitentwickelt und gebaut wurde und das seit 2001 Sternenbahnen um das galaktische Zentrum verfolgt.

Die Allgemeine Relativitätstheorie besteht einen weiteren Test

Die Ergebnisse waren eindeutig: Die klassische Newtonsche Gravitation kann die beobachtete Umlaufbahn von S2 in der Nähe des Perizentrums nicht erklären. Stattdessen zeigen die Beobachtungen deutlich die kombinierten Auswirkungen sowohl der schnellen Bewegung von S2 als auch des Gravitationsfeldes des Schwarzen Lochs auf die Bahndynamik (genauer: die Zeitdilatation für bewegte Objekte, wie sie durch die spezielle Relativitätstheorie vorhergesagt wird, und die Gravitations-Rotverschiebung, die durch das Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird).

Unter der Annahme, dass es zwischen S2 und dem zentralen Schwarzen Loch keine weiteren größeren Massen gibt, bestätigen die Beobachtungen die allgemein-relativistische Vorhersage für den Orbit auf plus/minus 15% – das liegt weit innerhalb der Beobachtungsunsicherheit. (Zumindest leuchtende Massen, deren Anwesenheit die Situation verändern könnte, können durch die Beobachtungen ausgeschlossen werden. Ein unsichtbares stellares Schwarzes Loch eine theoretische Möglichkeit könnte dort theoretisch vorhanden sein.)

Thomas Henning, Direktor am MPIA und Mitautor des Artikels, in dem die neuen Ergebnisse beschrieben werden, sagt: "Dies ist ein hervorragendes Beispiel für die Auswirkungen der beobachtenden Astronomie. Vor GRAVITY wären derart präzise Beobachtungen nicht möglich gewesen. Mit diesem beeindruckenden Ergebnis übertrifft das GRAVITY-Instrument unsere kühnsten Erwartungen."

Die Beobachtungen des zentralen Schwarzen Lochs unserer Galaxie mit GRAVITY und anderen Instrumenten gehen weiter. Bis 2020 erhoffen sich die Forscher, einen weiteren von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Effekt nachweisen zu können: die Schwarzschild-Präzession, nämlich eine langsame Rotation der gesamten elliptischen Umlaufbahn um das Schwarze Loch. Für den Stern S2 beträgt diese Drehung etwa 0,2 Grad pro Umlaufbahn. Die Forscher hoffen außerdem, mehr über die Materie zu erfahren, die das Schwarze Loch umkreist – also diejenige Materie, deren schwaches Leuchten im nahen Infrarot den direkten Positionsvergleich von GRAVITY überhaupt erst möglich gemacht hat.

Hintergrundinformationen

Die Ergebnisse wurden als Fachartikel der GRAVITY Collaboration: "Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole'' bei der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics zur Veröffentlichung angenommen.

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Wolfgang Brandner, Thomas Henning, Stefan Hippler, Sarah Kendrew (jetzt ESA), Martin Kulas, Rainer Lenzen, Eric Müller (jetzt ESO), José Ramos, Ralf-Rainer Rohloff, Joel Sanchez-Bermudez und Silvia Scheithauer im Rahmen der GRAVITY Collaboration.

Weiteres Bildmaterial (incl. Bilder mit hoher Auflösung) sowie Videomaterial bietet die Pressemitteilung der ESO:

Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik:

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Wolfgang Brandner, Thomas Henning, Stefan Hippler, Sarah Kendrew (jetzt ESA), Martin Kulas, Rainer Lenzen, Eric Müller (jetzt ESO), José Ramos, Ralf-Rainer Rohloff, Joel Sanchez-Bermudez und Silvia Scheithauer im Rahmen der GRAVITY Collaboration.

Die Messungen wurden von einem internationalen Team unter der Leitung von Reinhard Genzel (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Garching) in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern am Pariser Observatorium-PSL, der Université Grenoble Alpes, CNRS, dem Max-Planck-Institut für Astronomie, der Universität Köln, dem portugiesischen CENTRA - Centro de Astrofisica e Gravitação und der ESO durchgeführt.

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