Rotverschiebung an schwarzem Loch bestätigt
Erstmals gravitative Rotverschiebung eines Sterns bei Passage an supermassivem schwarzem Loch nachgewiesen.
Ein internationales Team von Astronomen unter Beteiligung der Universität zu Köln hat ersts Einsteins allgemeine Relativitätstheorie durch konkrete Beobachtungen in der Umgebung eines schwarzen Loches bestätigt. Mithilfe des Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte in Chile hat das Forschungsteam unter Leitung von Reinhard Genzel vom Max-
Abb.: Künstlerische Darstellung der Passage von S2 am supermassiven schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße (Bild: ESO / M. Kornmesser)
Neue Infrarotbeobachtungen der extrem empfindlichen Instrumente Gravity, Naco und Sinfoni am Very Large Telescope erlaubten es den Wissenschaftlern im Mai 2018, einen Stern namens S2 bei seinem dichten Vorbeiflug am schwarzen Loch zu beobachten. Eine Kombination von Positions- und Geschwindigkeitsmessungen zeigen deutlich die gravitative Rotverschiebung: Das Licht des Sterns wird durch das sehr starke Schwerkraftfeld des schwarzen Lochs zu einer größeren Wellenlänge gedehnt. Diese Messung entspricht genau dem, was Einsteins allgemeine Relativitätstheorie voraussagt. Es ist das erste Mal, dass diese Abweichung von den Vorhersagen der einfacheren Newtonschen Schwerkraftstheorie bei der Bewegung eines Sterns um ein schwarzes Loch beobachtet wurde.
Der Stern hatte bei den Messungen eine Geschwindigkeit von über 25 Millionen Kilometern in der Stunde, was drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Er befindet sich weniger als 20 Milliarden Kilometer vom supermassiven schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße entfernt. Dieses schwarze Loch hat die viermillionenfache Masse der Sonne, und eine kleine Gruppe von Sternen umkreist es mit hohen Geschwindigkeiten. Diese extremen Bedingungen im stärksten Schwerkraftfeld in unserer Galaxie machen es zum perfekten Objekt, um die Physik der Schwerkraft zu überprüfen.
„Wir haben jetzt zum zweiten Mal den dichten Vorbeiflug von S2 um das schwarze Loch im galaktischen Zentrum beobachtet“, sagt Reinhard Genzel vom MPE. „Dieses Mal konnten wir den Stern aber wegen unserer stark verbesserten Instrumente mit beispielloser Auflösung beobachten.“ Gravity produziert Bilder von so großer Schärfe, dass es die Bewegung des Sterns von Nacht zu Nacht zeigt, während er 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt dicht am schwarzen Loch vorbeifliegt. „Während des dichten Vorbeifluges gelang es uns nicht nur, dem Stern genau auf seinem Orbit zu folgen. Wir konnten auch den schwachen Lichtschein rund um das schwarze Loch erkennen“, ergänzt Frank Eisenhauer (MPE), der Projektleiter von Gravity. Die Wissenschaftler haben sich auf dieses Ereignis mehrere Jahre intensiv vorbereitet, da sie das Beste aus dieser einmaligen Gelegenheit machen wollten, Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie zu beobachten.
Astronomen, Ingenieure und Techniker des I. Physikalischen Instituts der Uni Köln unter Leitung von Andreas Eckart entwickelten und bauten die beiden Spektrometer von Gravity. „Gravity ist eine technologische Herausforderung“, sagt Eckart. „Doch nach mehr als zwei Jahrzehnten Forschung an den Hochgeschwindigkeitssternen im galaktischen Zentrum und an der Entwicklung astronomischer Instrumente wurde der Aufwand mit einem ausgezeichneten Ergebnis in der experimentellen Physik belohnt.“
U. Köln / DE