Erster erfolgreicher Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie nahe dem supermassereichen Schwarzen Loch im galaktischen Zentrum

Beobachtungen des Galaktischen-Zentrum-Teams am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) zeigen erstmals die von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten Auswirkungen auf die Bewegung eines Sterns durch das extreme Gravitationsfeld nahe dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Dieses lang ersehnte Ergebnis ist der Höhepunkt einer 26-jährigen Beobachtungskampagne mit den Teleskopen der ESO in Chile.

Diese Simulation zeigt die Sternbahnen nahe dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstrasse. © ESO/L. Calçada/spaceengine.org Diese Simulation zeigt die Sternbahnen nahe dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstrasse. © ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Das der Erde am nächsten gelegene supermassereiche Schwarze Loch liegt 26 000 Lichtjahre entfernt im Zentrum der Milchstraße. Dieses Gravitationsmonster, dessen Masse vier Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, ist von einer kleinen Gruppe von Sternen umgeben, die sich mit hoher Geschwindigkeit auf Umlaufbahnen befinden. Diese extreme Umgebung - das stärkste Gravitationsfeld in unserer Galaxie - macht sie zum perfekten Ort, um die Physik der Gravitation zu erforschen und insbesondere Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu testen.

Neue Infrarot-Beobachtungen der empfindlichen Instrumente GRAVITY, SINFONI und NACO, die unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) entwickelt wurden, haben es Astronomen nun ermöglicht, einem dieser Sterne, genannt S2, auf seiner Umlaufbahn zu folgen. Insbesondere konnten sie genau beobachten, wie er im Mai 2018 sehr nahe am Schwarzen Loch vorbei kam. Die kürzeste Entfernung zwischen diesem Stern und dem Schwarzen Loch betrug weniger als 20 Milliarden Kilometer; der Stern bewegte sich dabei mit einer Geschwindigkeit von über 25 Millionen Kilometern pro Stunde - fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Die Umlaufbahn von S2 um das Schwarze Loch, gemessen von unterschiedlichen Instrumenten. © ESO/MPE/GRAVITY Collaboration Die Umlaufbahn von S2 um das Schwarze Loch, gemessen von unterschiedlichen Instrumenten. © ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

Das Team verglich die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen von GRAVITY bzw. SINFONI sowie aus früheren Beobachtungen von S2 mit anderen Instrumenten sodann mit den Vorhersagen der Newtonschen Gravitation, der allgemeinen Relativitätstheorie und auch anderen Gravitationstheorien. Die neuen Ergebnisse stehen im Widerspruch zu den Newtonschen Vorhersagen und sind in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie.

Diese hochpräzisen Messungen wurden von einem internationalen Team unter der Leitung von Reinhard Genzel (MPE) in Garching, Deutschland, in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern am Pariser Observatorium-PSL, der Université Grenoble Alpes, CNRS, dem Max-Planck-Institut für Astronomie, der Universität Köln, dem portugiesischen CENTRA - Centro de Astroﬁsica e Gravitação und der ESO durchgeführt. Die Beobachtungen sind der Höhepunkt einer 26-jährigen Reihe von immer genaueren Beobachtungen des Zentrums der Milchstraße mit Instrumenten der ESO.

"Dies ist das zweite Mal, dass wir den nahen Vorbeiflug von S2 um das Schwarze Loch in unserem galaktischen Zentrum beobachtet haben. Aber diesmal konnten wir den Stern aufgrund der deutlich verbesserten Instrumentierung mit bisher unerreichter Auflösung beobachten", erklärt Genzel. "Seit mehreren Jahren haben wir uns intensiv auf dieses Ereignis vorbereitet, da wir bei dieser einmaligen Gelegenheit allgemein-relativistische Effekte beobachten wollten."

Künstlerische Darstellung der gravitativen Rotverschiebung, die der Stern S2 beim nahen Vorbeigang am Schwarzen Loch erfährt. © ESO/M. Kornmesser Künstlerische Darstellung der gravitativen Rotverschiebung, die der Stern S2 beim nahen Vorbeigang am Schwarzen Loch erfährt. © ESO/M. Kornmesser

Die neuen Messungen zeigen deutlich einen Effekt, der als Gravitations-Rotverschiebung bezeichnet wird. Das Licht des Sterns wird durch das sehr starke Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs zu längeren Wellenlängen hin gestreckt. Und die Änderung der Wellenlänge des Lichts von S2 stimmt genau mit der Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie überein. Dies ist das erste Mal, dass diese Abweichung von den Vorhersagen der einfacheren Newtonschen Gravitationstheorie in der Bewegung eines Sterns um ein supermassereiches Schwarzes Loch beobachtet wurde.

Das Team nutzte SINFONI, um die Geschwindigkeit von S2 relativ zur Erde zu messen, und das GRAVITY-Instrument im VLT-Interferometer (VLTI) zur außergewöhnlich präzisen Messung der Position von S2, um die Form seiner Umlaufbahn zu bestimmen. GRAVITY erzeugt so scharfe Bilder, dass die Bewegung des Sterns von Nacht zu Nacht sichtbar wird, wenn er – 26 000 Lichtjahre von der Erde entfernt – nahe am Schwarzen Lochs vorbeigeht.

"Unsere ersten Beobachtungen von S2 mit GRAVITY vor etwa zwei Jahren haben bereits gezeigt, dass wir mit dem Galaktischen Zentrum das perfekte Labor für die Erforschung eines Schwarzen Lochs haben", ergänzt Frank Eisenhauer (MPE), Principal Investigator von GRAVITY und dem SINFONI-Spektrographen. "Während des nahen Vorbeiflugs konnten wir auf den meisten Bildern sogar das schwache Glühen rund um das Schwarze Loch erkennen. Damit konnten wir den Stern auf seiner Umlaufbahn extrem genau verfolgen, was schließlich zur Erkennung der gravitativen Rotverschiebung im Spektrum von S2 führte."

Mehr als einhundert Jahre der Veröffentlichung der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, erweisen sich die Vorhersagen von Einstein einmal mehr als richtig – in einem viel extremeren Labor, als er es sich vorstellen konnte!

Dieses Diagramm zeigt die Bewegung des Sterns S2 bei seinem nahen Vorbeiflug am supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Es wurde zusammengestellt aus Beobachtungen mit GRAVITY am VLT Interferometer. Dabei bewegte sich der Stern mit fast 3% der Lichtgeschwindigkeit; seine Positionsänderung konnte von Nacht zu Nacht nachverfolgt werden. Die Größe von Stern und Schwarzem Loch nicht nicht maßstabsgetreu. © ESO/MPE/GRAVITY Collaboration Dieses Diagramm zeigt die Bewegung des Sterns S2 bei seinem nahen Vorbeiflug am supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Es wurde zusammengestellt aus Beobachtungen mit GRAVITY am VLT Interferometer. Dabei bewegte sich der Stern mit fast 3% der Lichtgeschwindigkeit; seine Positionsänderung konnte von Nacht zu Nacht nachverfolgt werden.

Die Größe von Stern und Schwarzem Loch nicht nicht maßstabsgetreu. © ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

"In dem extrem starken Gravitationsfeld erwarten wir allgemein relativistische Effekte zu sehen – aber nur, wenn wir genau genug beobachten können", sagt Stefan Gillessen, "Deshalb mussten wir die Technologie bis an die Grenzen ausreizen: Mit SINFONI können wir die Radialgeschwindigkeit von Sternen sehr genau messen und GRAVITY liefert uns extrem scharfe Bilder und genaue Positionen."

Weitere Beobachtungen dürften schon bald einen weiteren relativistischen Effekt zeigen: eine kleine Rotation der Sternumlaufbahn, bekannt als Schwarzschild-Präzession - wenn sich S2 vom Schwarzen Loch entfernt.

Xavier Barcons, Generaldirektor der ESO, schließt: "Die ESO arbeitet seit über einem Vierteljahrhundert mit Reinhard Genzel und seinem Team sowie Mitarbeitern in den ESO-Mitgliedstaaten zusammen. Es war eine große Herausforderung, die einzigartig leistungsfähigen Instrumente zu entwickeln, die für diese sehr empfindlichen Messungen benötigt werden, und sie am VLT in Paranal einzusetzen. Die heute bekannt gegebene Entdeckung ist das aufregende Ergebnis einer bemerkenswerten Partnerschaft."

Anmerkungen

1. GRAVITY wurde in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (Deutschland), der LESIA der Pariser Sternwarte-PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot und IPAG der Université Grenoble Alpes / CNRS (Frankreich), dem Max-Planck-Institut für Astronomie (Deutschland), der Universität Köln (Deutschland), dem CENTRA-Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal) und der ESO entwickelt.

2. S2 umkreist das Schwarze Loch alle 16 Jahre in einer hochexzentrischen Umlaufbahn. Am nächstgelegenen Punkt zum Schwarzen Loch beträgt die Entfernung nur etwa 20 Milliarden Kilometer - 120 mal die Entfernung von der Erde zur Sonne oder etwa vier Mal die Entfernung von der Sonne zum Neptun. Dieser Abstand entspricht etwa dem 1500fachen des Schwarzschildradius des Schwarzen Lochs selbst.

Weitere Informationen

Die GRAVITY-Kollaboration besteht aus: R. Abuter (ESO, Garching, Deutschland), A. Amorim (Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugal), N. Anugu (Universidade do Porto, Porto, Portugal), M. Bauböck (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Deutschland[MPE]), M. Benisty (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Frankreich[IPAG]), J.P. Berger (IPAG; ESO, Garching, Deutschland), N. Blind (Observatoire de Genève, Université de Genève, Versoix, Schweiz), H. Bonnet (ESO, Garching, Deutschland), W. Brandner (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland[MPIA]), A. Buron (MPE), C. Collin (LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Meudon, Frankreich[LESIA]), F. Chapron (LESIA), Y. Clénet (LESIA), V. Coudé du Foresto (LESIA), P. T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden Universität, Leiden, Niederlande; MPE), C. Deen (MPE), F. Delplancke-Ströbele (ESO, Garching, Deutschland), R. Dembet (ESO, Garching, Deutschland; LESIA), J. Dexter (MPE), G. Duvert (IPAG), A. Eckart (Universität zu Köln; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland), F. Eisenhauer (MPE), G. Finger (ESO, Garching, Deutschland), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Fédou (LESIA), P. Garcia (Universidade do Porto, Porto, Portugal; Universidade de Lisboa Lisboa, Portugal), R. Garcia Lopez (MPIA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE; University of California, Berkeley, California, USA), S. Gillessen (MPE), P. Gordo (Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal), M. Habibi (MPE), X. Haubois (ESO, Santiago, Chile), M. Haug (ESO, Garching, Deutschland), F. Haußmann (MPE), Th. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (Universität Köln, Köln, Deutschland), Z. Hubert (LESIA; MPIA), N. Hubin (ESO, Garching, Deutschland), A. Jimenez Rosales (MPE), L. Jochum (ESO, Garching, Deutschland), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO, Santiago, Chile), S. Kellner (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland), S. Kendrew (MPIA, ESA), P. Kervella (LESIA; MPIA), Y. Kok (MPE), M. Kulas (MPIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), B. Lazareff (IPAG), J.B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Lippa (MPE), R. Lenzen (MPIA), A. Mérand (ESO, Garching, Deutschland), E. Müller (ESO, Garching, Deutschland; MPIA), U. Neumann (MPIA), T. Ott (MPE), L. Palanca (ESO, Santiago, Chile), T. Paumard (LESIA), L. Pasquini (ESO, Garching, Deutschland), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (MPE), P. M. Plewa (MPE), S. Rabien (MPE), J. Ramos (MPIA), C. Rau (MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), R.R. Rohloff (MPIA), G. Rousset (LESIA), J. Sanchez-Bermudez (ESO, Santiago, Chile; MPIA), S. Scheithauer (MPIA), M. Schöller (ESO, Garching, Deutschland), N. Schuler (ESO, Santiago, Chile), J. Spyromilio (ESO, Garching, Deutschland), O. Straub (LESIA), C. Straubmeier (Universität Köln, Köln, Deutschland), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), K.R.W. Tristram (ESO, Santiago, Chile), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Wank (Universität zu Köln), I. Waisberg (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), M. Wiest (Universität zu Köln), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO, Garching, Deutschland), S. Yazici (MPE; Universität Köln, Köln, Deutschland), D. Ziegler (LESIA) und G. Zins (ESO, Santiago, Chile).