Rotverschiebung an schwarzem Loch bestätigt

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-Planck-Institut für extra­terrestrische Physik (MPE) in Garching die Bewegung eines Sterns durch das extreme Anziehungs­feld des super­massiven schwarzen Lochs im Zentrum der Milch­straße unter­sucht. Dieses Forschungs­ergebnis ist der Höhepunkt einer 26 Jahre langen Serie von immer präziseren Beobachtungen des Zentrums der Milch­straße durch ESO-Instrumente.

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