29.12.2020

Schwarze Löcher im Fokus und kosmologische Probleme am Horizont

Jahresrückblick Astrophysik, Astronomie und Kosmologie 2020.

Auch im Jahr 2020 standen schwarze Löcher im Zentrum des wissenschaftlichen und öffentlichen Interesses: Der Nobelpreis für Physik ging an den britischen Theoretiker Roger Penrose für „seine Entdeckung, dass die Entstehung schwarzer Löcher eine robuste Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie ist“, sowie an den deutschen Astrophysiker Reinhard Genzel und die US-amerikanische Astronomin Andrea Ghez für „ihre Entdeckung eines supermassereichen Objekts im Zentrum der Milchstraße“. Genzel und Ghez gelang mit es mit ihren Arbeitsgruppen unabhängig voneinander, die Bewegung von Sternen nahe des galaktischen Zentrums zu messen und daraus auf die Existenz eines massereichen schwarzen Lochs von vier Millionen Sonnenmassen zu schließen.

Photo: Schwarze Löcher im Fokus und kosmologische Probleme am Horizont

Inzwischen konnten Astronomen die Bahnen der Sterne im galaktischen Zentrum sogar so genau vermessen, dass sie die Schwarzschild-Präzession nachweisen konnten: Die Bahn folgt einer Rosette und nicht einer Ellipse, wie es Newtons Gravitationstheorie vorhersagen würde. Mit dem Event Horizon Telescope war es 2019 erstmals gelungen, den „Schatten“ des schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 abzubilden. Eine Auswertung von Archivdaten zeigte jetzt, wie sich das Bild des schwarzen Lochs über mehrere Jahre hinweg entwickelt: Der ringförmige Schatten ist zwar immer vorhanden, ändert jedoch seine Ausrichtung und Helligkeitsverteilung.

Bei ihrem dritten Beobachtungslauf sind die LIGO-Gravitationswellendetektoren in den USA und Virgo in Italien auf die Entstehung eines mittelschweren schwarzen Lochs gestoßen: Das Signal stammt von der massereichsten Verschmelzung zweier schwarzer Löcher, die bislang beobachtet wurde. Erstaunlich ist dabei insbesondere mit 85 Sonnenmassen die Masse des schwereren schwarzen Lochs in dem Paar, denn es sollte nach dem heutigen Verständnis als Ergebnis von Sternexplosionen gar nicht existieren. Es könnte jedoch bereits aus einer vorhergehenden Verschmelzung schwarzer Löcher stammen.

Galaktische Geschichte

Passend zum dritten Dezember öffnete sich für die weltweite Astronomie-Gemeinschaft das dritte „Türchen“ der Gaia-Mission, die seit 2014 vom Weltraum aus die Milchstraße vermisst: Der Gaia Early Third Data Release macht detaillierte Daten über mehr als 1,8 Milliarden astronomische Quellen zugänglich, zum größten Teil Sterne der Milchstraße. Die Daten zeigen unter anderem ein ungewöhnliches Muster in den Bewegungen der Sterne. Dabei könnte es sich um die Folge einer Beinahe-Kollision zwischen der Milchstraße und der Sagittarius-Galaxie handeln.

Weitere Daten zur Dynamik der Milchstraße können Astronomen in der Datenbank von RAVE finden, einer der ersten und größten systematischen spektroskopischen Himmelsdurchmusterungen. Für über eine halbe Million Beobachtungen hat die RAVE-Kollaboration die Ergebnisse in ihrer sechsten und finalen Datenveröffentlichung vorgestellt. Dem Projekt gelang es, die Geschwindigkeiten, Temperaturen, Zusammensetzungen und Entfernungen für verschiedene Arten von Sternen zu messen.

Aber auch viele andere Verfahren lieferten 2020 Informationen über die galaktische Geschichte. So führte die Anwendung von Techniken der maschinellen Bildverarbeitung auf Daten der THOR-Durchmusterung zur Entdeckung eines Geflechts aus Wasserstoff-Filamenten, das die Milchstraße durchdringt. Mithilfe statistischer Methoden und Simulationen konnte ein internationales Forscherteam zeigen, dass diese Struktur einen Abdruck historischer Prozesse bewahrt hat, die durch die Rotation der galaktischen Scheibe und durch Einflüsse von alten Supernova-Explosionen hervorgerufen wurden.

Und ein Forschertrio aus Deutschland, Schweden und Chile zeigte, dass Doppelsternsysteme, die aus einem heißen, blauen Zwergstern und einem sonnenähnlichen Stern bestehen, den Astronomen ebenfalls einen Einblick in die Geschichte der Milchstraße liefern: Die Umlaufperioden der Doppelsterne lassen sich durch ein kombiniertes Modell der Sternwechselwirkungen und der zeitlichen Entwicklung der Eisenmenge in der Milchstraße erklären.

Neuigkeiten über Exoplaneten

Die Zahl der bekannten Planeten bei anderen Sternen stieg im Jahr 2020 auf etwa 4400. Einzelne Entdeckungen sind so kaum noch erwähnenswert, aber ab und an schaffen es ungewöhnliche Planeten in die Schlagzeilen. So zeigten beispielsweise gleich die ersten Beobachtungen mit dem neuen Weltraumteleskop CHEOPS, dass WASP-189b einer der extremsten Planeten ist, die bislang bekannt sind: Er ist anderthalbmal so groß wie Jupiter, umkreist seinen Zentralstern jedoch in einer extrem engen Umlaufbahn in weniger als drei Tagen. Aufgrund der Beobachtungen mit CHEOPS schätzen die Forscher die Temperatur von WASP-189b auf 3200 Grad Celsius. Bei solch hohen Temperaturen schmilzt Eisen und wird sogar gasförmig.

Die Entdeckung eines ungewöhnliches Planetenpaars aus einer Supererde und einem Sub-Neptun in Umlaufbahnen um einen roten Zwerg gelang einem Forscherteam mit dem Spezialteleskop Saint-Ex in Mexiko. Es ist mit Sensoren ausgestattet, welche die hochpräzise Detektion von kleinen Planeten um kühle Sterne ermöglichen. Unterdessen zeigte ein Team des Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, dass die intensive Röntgenstrahlung junger Sterne zum Verlust der Atmosphären bei nahen Gesteinsplaneten führen kann.

Kosmologische Probleme

Seit einigen Jahren schwelt im Bereich Kosmologie der Streit um den Hubble-Parameter, also die heutige Expansionsrate des Kosmos. Das Problem: Verschiedene Verfahren liefern hierfür verschiedene Ergebnisse, die jedes für sich genommen überzeugend und genau sind, sich jedoch im Rahmen der jeweiligen Fehlertoleranzen nicht in Einklang bringen lassen. Dieser Konflikt hat sich durch eine neue Messung mithilfe von Gravitationslinsen eher noch verschärft. Die Beobachtungen der H0LiCOW genannten Kollaboration liefern die bislang präziseste Messung des Hubble-Parameters mit Gravitationslinsen – und das Resultat steht wiederum im Widerspruch zu Bestimmungen der Expansionsrate aus der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Und noch auf ein anderes kosmologisches Problem stießen Astronomen durch Gravitationslinsen: Galaxienhaufen sind zu klumpig. Die von einem internationalen Team beobachtete Häufigkeit von Gravitationslinsen-Ereignissen durch Subhalos in Galaxienhaufen übertrifft die aus Simulationen auf Basis des Standardmodells erwartete Anzahl um mehr als eine Größenordnung. Entweder gibt es also systematische Fehler bei den Simulationen – oder die Simulationen enthalten falsche Annahmen bezüglich der dunklen Materie. Möglicherweise verhält sich die dunkle Materie anders als derzeit angenommen.

Forscher der Universitäten Bonn und Harvard haben die Isotropie-Hypothese der Kosmologie mit einer neuen Methode auf den Prüfstand gestellt, die deutlich verlässlichere Aussagen erlaubt als frühere Verfahren. Mit einem unerwarteten Ergebnis: Demnach dehnen sich manche Gebiete im All sehr viel schneller aus als sie eigentlich sollten, andere dagegen weitaus langsamer. Das Resultat weckt daher Zweifel an der kosmischen Isotropie.

Kosmos und Relativität

Während auf der einen Seite Zweifel am kosmologischen Standardmodell aufkommen, bleibt die Relativitätstheorie unangefochten. So gelang es Radioastronomen, die Relativitätstheorie mit einem exotischen Dreifach-Stern zu testen und damit die Universalität des freien Falls zu bestätigen. Das durch die Verknüpfung von Radioteleskop-Beobachtungen mit den Resultaten von Gravitationswellendetektoren erhaltene Ergebnis ist die bislang beste Überprüfung einer der fundamentalen Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie: Die Schwerkraft zieht alle Objekte mit der gleichen Beschleunigung an, unabhängig von deren Zusammensetzung, Dichte oder Stärke des eigenen Gravitationsfelds.

Und durch die genaue Vermessung eines Gammastrahlungsausbruchs mit den beiden MAGIC-Teleskopen auf La Palma gelang eine weitere Bestätigung der Lorentzinvarianz: Die Geschwindigkeit von Gammastrahlen hängt nicht von ihrer Energie ab. Anders als frühere Arbeiten konnte das MAGIC-Team dabei erstmals auf Gammablitz-Signale im TeV-Bereich zurückgreifen. Damit setzt die Studie einen Meilenstein für die künftige Forschung und Überprüfung von Einsteins Theorie im 21. Jahrhundert.

Rainer Kayser

Schwarze Löcher im Fokus und kosmologische Probleme am Horizont