Schnellster Stern der Milchstraße spürt Spin des Schwarzen Lochs

Das Zentrum unserer Milchstraße ist ein extremer und hochdynamischer Ort. Die enorme Gravitation des Schwarzen Lochs Sagittarius A* beschleunigt dort die zentralen Sterne auf ein Rekordtempo und lässt ihre exzentrischen Bahnen in einem schon von Einstein vorhergesagten Muster wandern. Umgekehrt verraten Umlaufbahn, Geschwindigkeit und Rotverschiebung dieser sogenannten S-Sterne einiges über das Schwarze Loch unserer Galaxie. Wie schnell rotiert Sagittarius A*? Ein Merkmal unseres zentralen Schwarzen Lochs ist allerdings bisher strittig: seine Rotation. „Weil alle Objekte im Universum rotieren, erwarten wir das Gleiche auch für Schwarze Löcher“, erklären Stefan Gillessen vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching und seine Kollegen von der GRAVITY+-Kollaboration. Aber wie schnell sich Sagittarius A* dreht, ist strittig. Die anhand von Sternbewegungen oder Modellen geschätzten Werte reichen von gar nicht über sehr langsam bis zu maximal schnell. Doch jetzt haben Gillessen und seine Kollegen einen Stern entdeckt, der eine Antwort auf die Rotationsfrage liefern könnte. „Im Frühjahr 2023 haben wir einen lichtschwachen Stern nur rund 15 Millibogensekunden nordwestlich von Sagittarius A* entdeckt, der sich in den folgenden Monaten nach außen bewegte“, berichten die Astronomen. Indem sie die vier Acht-Meter-Teleskope des Paranal-Observatoriums in Chile über das GRAVITY+-Instrument zusammenkoppelten, konnten sie die Bahn und Geschwindigkeit dieses Sterns genauer bestimmen. Der Stern S301 umkreist das Schwarze Loch Sagittarius A* extrem eng, wie wiederholte Beobachtungen im Laufe der letzten Jahren zeigten. — © ESO/GRAVITY Collaboration 25.000 Kilometer pro Sekunde schnell und beispiellos nah Dabei zeigte sich: Der S301 getaufte Stern umkreist das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße so eng und schnell wie kein anderer bisher bekannter Stern. Bei seiner nächsten Annäherung an Sagittarius A* erreicht S301 ein Tempo von rund 25.000 Kilometern pro Sekunde – das entspricht gut acht Prozent der Lichtgeschwindigkeit und ist 1000-mal mehr als das Tempo des bisherige, ebenfalls zur zentralen Sternpopulation gehörenden Rekordhalter S2, wie die Forschenden erklären. „Das Besondere an diesem Stern ist jedoch seine sehr enge Umlaufbahn um Sagittarius A*: Er benötigt nur 8,7 Jahre für einen Umlauf und nähert sich dem Schwarzen Loch bis auf das Zwölffache der Distanz zwischen Erde und Sonne an. Das ist beispiellos“, sagt Co-Erstautor Felix Mang vom MPI für extraterrestrische Physik. Der neu entdeckte Stern kommt dem Schwarzen Loch damit zehnmal näher als der bisherige Rekordstern S2. Bei seiner größten Annäherung ist er kaum weiter entfernt als der Saturn von der Sonne. Stern S301 spürt den Lense-Thirring-Effekt Das bedeutet: Der Stern S301 ist dem Schwarzen Loch nahe genug, um dessen Rotation zu spüren. „S301 ist der erste Stern, der direkt in dem Bereich um Sagittarius A* kreist, in dem der Lense-Thirring-Effekt der Raumzeit extrem ist“, erläutert Mang. Dieser schon von Albert Einstein vorhergesagte Effekt entsteht, weil eine rotierende Masse die Raumzeit nicht nur krümmt, sondern auch mitschleift und verzerrt. Auch unsere Erde erzeugt diesen „Frame-Dragging“-Effekt, wie Messungen vor Kurzem bestätigten. Lense-Thirring-Effekt: Ein rotierendes Schwarzes Loch zieht die umgebende Raumzeit mit. — © ESO/ M. Kornmesser Diesen Effekt auch beim zentralen Schwarzen Loch der Milchstraße zu messen, ist jedoch deutlich schwieriger. Er bewirkt, dass sich die Endpunkte der elliptischen Sternenbahnen im Laufe mehrerer Umkreisungen ein wenig stärker verlagern, als durch die reine Gravitationswirkung des Schwarzen Lochs zu erwarten wäre. Um diese winzigen Abweichungen in der Schwarzschild-Präzession messen zu können, benötigt man jedoch Sterne mit möglichst kurzer Umlaufzeit um das Schwarze Loch. Erste Daten zu Rotation und No-Hair-Theorem Genau diese Voraussetzung erfüllt nun der neu entdeckte Stern S301. „Damit wären wir erstmals in der Lage, die Rotation eines massereichen Schwarzen Lochs sehr direkt zu bestimmen – ein zentraler Test für Einsteins Theorie“, sagt Gillessen. Die Astronomen schätzen, dass diese direkte Messung des Lense-Thirring-Effekts mithilfe von S301 schon innerhalb der nächsten zehn Jahre gelingen könnte. Beobachtungen des Sterns mit den gekoppelten Teleskopen auf dem Paranal sowie mit dem im Bau befindlichen Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte könnten dies ermöglichen. Vielleicht könnte der Stern noch eine weitere grundlegende Frage zu Schwarzen Löchern klären: „Langfristig könnte die Analyse der Bahn von S301 sogar Hinweise auf das No-Hair-Theorem liefern“, erklärt Gillessen. Diesem in den 1960er Jahren aufgestellten Theorem zufolge müssten sich Schwarze Löcher durch nur drei Eigenschaften vollständig beschreiben lassen: Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung. Alle anderen Informationen – die „Haare“ - müssten hinter dem Ereignishorizont verschwinden. „Durch seine Nähe zu Sagittarius A* eröffnet uns S301 ein neues Fenster zu den fundamentalen Eigenschaften der Raumzeit in dieser extremen Umgebung eines Schwarzen Lochs“, sagt Reinhard Genzel vom MPI für extraterrestrische Physik. Er hat 2020 den Nobelpreis für Physik für seine Forschungen zum zentralen Schwarzen Loch der Milchstraße erhalten und ist Gründungsmitglied der GRAVITY+-Kollaboration.