Schwarzes Loch: Einstein hatte doch Recht

Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen unter Beteiligung der Universität zu Köln hat erstmalig Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie durch konkrete Beobachtungen in der Umgebung eines Schwarzen Loches nachgewiesen. Mithilfe des Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte in Chile (European Southern Observatory – ESO) 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. Das Team hat die Ergebnisse der Studie „Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole“ in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Neue Infrarotbeobachtungen der extrem empfindlichen Instrumente GRAVITY, NACO und SINFONI am Very Large Telescope erlaubten es den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen im Mai 2018, einen Stern namens S2 bei seinem dichten Vorbeiflug am Schwarzen Loch zu beobachten. Eine Kombination von Positions- und Geschwindigkeitsmessungen zeigen deutlich einen Effekt, den die Wissenschaft „gravitative Rotverschiebung“ nennt: Das Licht des Sterns wird durch das sehr starke Schwerkraftfeld des Schwarzen Lochs zu einer größeren Wellenlänge gedehnt. Die Dehnung der Wellenlänge des Lichts von S2 entspricht genau dem, was Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie voraussagt. Es ist das erste Mal, dass diese Abweichung von den Vorhersagen der einfacheren Newtonschen Schwerkraft 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 vier millionenfache 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 Wissenschaftlerinnen und 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 Professor Dr. Andreas Eckart entwickelten und bauten die beiden Spektrometer von GRAVITY. Die Spektrometer analysieren die Wellenlänge des beobachteten Sternenlichts und wandeln die empfangenen Photonen in elektronische Signale um. „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.“