Auf der Lauer am Schwarzen Loch

Im Herzen der Milchstraße lauert ein supermassives Schwarzes Loch. In einer 16 Jahre langen Beobachtungskampagne haben Astronomen nun das bisher detailreichste Bild dieser turbulenten Region gezeichnet. Die Forscher konnten die Umlaufbahnen von 28 Sternen verfolgen - fünf Mal mehr als in vorhergehenden Untersuchungen. Seit Beginn der Messungen im Jahr 1992 hat einer der Sterne jetzt sogar das Schwarze Loch einmal vollständig umrundet. (The Astrophysical Journal)

"Das Zentrum der Galaxis ist ein einzigartiges Labor, in dem wir grundlegende Gesetze der Schwerkraft, der Sternendynamik und Sternbildung studieren können. Diese Prozesse sind für alle anderen galaktischen Kerne von zentraler Bedeutung, aber nur im galaktischen Zentrum erreicht man den notwendigen Detaillierungsgrad", sagt Reinhard Genzel, der das Team am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München leitet.

Abb.: Die zentralen 25 Bogensekunden unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Die Aufnahme wurde mit adaptiver Optik am VLT im nahen Infrarot bei drei Wellenlängen gewonnen. Man erkennt heiße blaue neben kühleren roten Sternen sowie rotleuchtende Gaswolken. Die Sterne, von denen Umlaufbahnen beobachtet wurden, stehen im Zentrum des Fotos in einer Region von etwa einer Bogensekunde. (Bild: MPE / ESO)

Der interstellare Staub, der die Galaxis füllt, behindert im sichtbaren Licht die direkte Sicht auf das Zentrum. Daher benutzten die Astronomen für ihre Untersuchung dieser Himmelsregion Wellenlängen im Infraroten, die den Staub durchdringen. Das bedeutete eine große technische Herausforderung, doch der Aufwand lohnte sich: "Das galaktische Zentrum beherbergt das nächstliegende uns bekannte superschwere Schwarze Loch, auch Sagittarius A* genannt. Daher ist das der beste Ort überhaupt, wenn man diese Klasse von Objekten untersuchen möchte", meint Stefan Gillessen, Erstautor der Studie.

Die zentralen Sterne der Galaxis dienten als "Testteilchen", denn die Forscher beobachteten genau, auf welche Weise sie sich um Sagittarius A* bewegten. Ähnlich wie Laub, das von einem Windstoß hinweggefegt wird, ein komplexes Netzwerk aus Luftströmen enthüllt, spiegelten auch die Umläufe der Sterne deutlich die Kräfte wider, die im galaktischen Zentrum wirken.

Diese Beobachtungen wurden dann benutzt, um wichtige Eigenschaften des Schwarzen Lochs abzuleiten, etwa seine Masse und Entfernung. Die neue Untersuchung zeigt auch, dass mindestens 95 Prozent der Masse, die auf die Sterne einwirkt, sich im Schwarzen Loch befinden muss. Es bleibt daher wenig Raum für andere dunkle Materie.

"Unsere Langzeitstudie hat den bisher besten empirischen Beweis erbracht, dass supermassive Schwarze Löcher wirklich existieren. Die Sternorbits im galaktischen Zentrum zeigen zweifelsfrei, dass die zentrale Massenkonzentration von vier Millionen Sonnenmassen ein Schwarzes Loch sein muss", sagt Genzel. Die Beobachtungen erlaubten es den Astronomen auch, die Entfernung der Erde vom Zentrum der Galaxis mit hoher Genauigkeit zu bestimmen: Sie beträgt demnach 27.000 Lichtjahre.

Um das beispiellos detaillierte Bild vom Herzen der Milchstraße erstellen und die Umlaufbahnen der einzelnen Sterne berechnen zu können, musste das Team die Sterne über viele Jahre hinweg beobachten. Vor 16 Jahren wurden mit der SHARP-Kamera am New Technology Telescope der Europäischen Südsternwarte die ersten Daten gewonnen und seit 2002 weitere Folgebeobachtungen mit zwei Instrumenten am Very Large Telescope (VLT) gemacht.

Insgesamt rund 50 Nächte Beobachtungszeit mussten investiert werden, bis die Wissenschaftler zu ihren spektakulären Ergebnissen kamen. Die langfristige Vision des deutschen Forscherteams um Reinhard Genzel wurde im Juni dieses Jahres mit dem hoch angesehenen Shaw-Preis ausgezeichnet.

Durch die neue Studie lassen sich nun die Positionen der Sterne mit sechsfach höherer Präzision vermessen als zuvor. Dabei erreichten die Forscher eine Genauigkeit von 300 Mikrobogensekunden: Unter diesem winzigen Winkel erscheint eine Ein-Euro-Münze aus einer Entfernung von rund 10.000 Kilometern.

Zum ersten Mal ist jetzt die Anzahl bekannter Sternorbits groß genug, um sie auf gemeinsame Eigenschaften hin zu untersuchen. "Die Bahnen der Sterne in der innersten Region sind völlig regellos. Dort geht es zu wie in einem Bienenschwarm", sagt Stefan Gillessen. Jedoch umkreisen weiter draußen sechs der 28 Sterne das Schwarze Loch in einer Scheibe. In dieser Hinsicht hat die neue Studie auch frühere Arbeiten bestätigt, in denen die Scheibe gefunden worden war. "Geordnete Bewegung außerhalb des ersten Lichtmonats, zufällig orientierte Bahnen innerhalb davon - so lässt sich die Dynamik der jungen Sterne im galaktischen Zentrum am besten beschreiben", sagt Gillessen.

Ein bestimmter Stern, bekannt als S2, umkreist das Zentrum der Milchstraße so schnell, dass er innerhalb der 16-Jahres-Dauer der Studie seine Bahn einmal vollständig durchlaufen hat. Die Beobachtung eines kompletten Umlaufs von S2 trug entscheidend zur Messgenauigkeit und damit zum Verständnis dieser Region bei. Ein Rätsel bleibt jedoch, wie diese jungen Sterne in die beobachteten Umlaufbahnen gelangten. Sie sind viel zu jung, um von weit her gekommen zu sein, aber es erscheint noch unwahrscheinlicher, dass sie in ihren jetzigen Bahnen entstanden, wo die Gezeitenkräfte des Schwarzen Loches wirken. Zukünftige Beobachtungen sollen theoretische Erklärungsmodelle testen.

"Für Untersuchungen in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs benötigen wir eine höhere Winkelauflösung als zurzeit möglich", sagt Genzel. Laut Frank Eisenhauer, Projektleiter des Nahinfrarot-Instrumentes GRAVITY, soll die Europäische Südsternwarte jedoch bald in der Lage sein, diese benötigte Auflösung zu erreichen. "Der nächste große Schritt wird sein, das Licht von den vier 8,2-Meter-Teleskopen des VLT zu kombinieren." Das werde die Genauigkeit der Beobachtungen im Vergleich zum heute Möglichen um einen Faktor zwischen 10 und 100 steigern. Eisenhauer: "Diese Kombination besitzt das Potenzial, Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in der gegenwärtig noch unerforschten Region nahe an einem Schwarzen Loch zu überprüfen."

Max-Planck-Gesellschaft 

 Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung
  S. Gillessen, F. Eisenhauer, S. Trippe, T. Alexander, R. Genzel, F. Martins, T. Ott, Monitoring stellar orbits around the Massive Black Hole in the Galactic Center, The Astrophysical Journal arXiv:0810.4674v1 [astro-ph]
  http://arxiv.org/abs/0810.4674
• MPE-Website zum galaktischen Zentrum
  http://www.mpe.mpg.de/ir/GC/index.php
• Das Massemonster im Herzen der Milchstraße (MaxPlanckForschung)
  http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/mpForschung/2002/heft04/mpf02_4_56_61.pdf

AL