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GRAVITY

Ganz nahe am Schwarzen Loch



Mithilfe aller vier Teleskope des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile haben Astronomen eine Gaswolke beobachtet, die sich mit rund 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit um das Zentrum unsere Milchstraße bewegt. Die Daten bestätigen erneut, dass sich dort wohl ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet.





Simulation einer Gaswolke, die um das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße kreist. [ Simulation einer Gaswolke, die um das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße kreist. [ Großansicht

Einem Team von Forschern sind erstaunliche Einblicke in das galaktische Zentrum gelungen: Die Astronomen beobachteten Gaswolken, die mit einem Tempo von etwa 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit um das im Herzen der Milchstraße vermutete Schwarze Loch herumwirbeln. Das Gas bewegte sich dabei auf einem kreisförmigen Orbit außerhalb der innersten stabilen Umlaufbahn und offenbarte sich durch Strahlungsausbrüche im Infrarotbereich. Gelungen ist diese Entdeckung mit dem Instrument Gravity, welches das Licht aller vier Acht-Meter-Spiegel des Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte vereint. Dank dieser Interferometrie genannten Technik erzeugt Gravity die Leistung eines virtuellen Fernrohrs mit einem effektiven Durchmesser von 130 Metern.

Inmitten der Milchstraße sitzt ein außergewöhnlich kompaktes Objekt, das Radiostrahlung abgibt und von den Astronomen Sagittarius A* genannt wird. Mit hoher Wahrscheinlichkeit verbirgt sich dahinter ein Schwarzes Loch mit ungefähr vier Millionen Sonnenmassen. Doch sicher ist das nicht, und so denken sich die Wissenschaftler stets neue Tests für ihre These aus. Mit dem Instrument Gravity haben die Forscher nun gleichsam den Rand des vermeintlichen Schwarzen Lochs ins Visier genommen.

Der Theorie nach müssten die Elektronen des Gases, das sich diesem Ereignishorizont nähert, beschleunigt werden und dadurch die Helligkeit zunehmen. In der nur wenige Lichtstunden kleinen Region um das Schwarze Loch herrschen chaotische Verhältnisse ähnlich wie in irdischen Gewittern oder Strahlungsausbrüchen auf der Sonne. Dabei spielen auch noch starke Magnetfelder eine Rolle, denn das Gas ist elektrisch leitend, also ein Plasma. Dieses sollte sich schließlich als flackernder "heißer Fleck" zeigen, der das Schwarze Loch auf der letzten stabilen Bahn umkreist.

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Tatsächlich registrierten die Astronomen solche Strahlungsausbrüche aus der sogenannten Akkretionsscheibe – einem Ring aus Gas mit einem Durchmesser von nur etwa zehn Lichtminuten, der sich mit extrem hoher Geschwindigkeit um das galaktische Zentrum dreht. Die Materie kann dabei gefahrlos kreisen, solange sie dem Schwarzen Loch nicht zu nahe kommt; Materie innerhalb des Ereignishorizonts gelingt es aber nicht mehr, der enormen Schwerkraft zu entfliehen. Die jetzt beobachteten Strahlungsausbrüche ("Flares") stammen von Materie, die sich in einem Orbit nahe dieses Ereignishorizonts befindet.

"Wir sahen gleich drei solcher Flares. Alle hatten sie dieselben Bahnradien und dieselben Umlaufperioden", sagt Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching und Leiter der Studie. Die Bewegung dieser drei heißen Flecken im galaktischen Zentrum lässt sich durch ein einfaches Orbitmodell erklären, dessen Radius drei- bis fünfmal größer ist als jener des Ereignishorizonts. Zudem bestätigen die Messungen exakt die theoretischen Vorhersagen für Gas, das nahe der innersten stabilen Umlaufbahn kreist.

"Nimmt man all unsere Beobachtungen zusammen, dann haben wir einen deutlichen Beleg dafür, dass sich hier tatsächlich Materie auf einer Umlaufbahn nahe dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs mit vier Millionen Sonnenmassen befindet," sagt Jason Dexter vom Garchinger Max-Planck-Institut. Und Dexters Kollege Oliver Pfuhl ergänzt: "Gravity und seine enorme Empfindlichkeit erlaubten es uns, die Akkretionsprozesse in Echtzeit zu beobachten – und zwar mit nie da gewesener Detailschärfe."

Die sehr hohe Winkelauflösung und Messgenauigkeit von Gravity sowie die Präzisionsspektroskopie mit der Integralfeldkamera Sinfoni am Very Large Telescope hatten es demselben Team bereits Anfang des Jahres erlaubt, den Vorbeiflug des Sterns S2 nahe am galaktischen Schwarzen Loch zu messen. Dabei zeigte sich eine Gravitations-Rotverschiebung, wie sie von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird.

"Diese Beobachtungen waren für uns schon immer ein Traum. Aber wir wagten nicht zu hoffen, dass sie tatsächlich so schnell Realität werden würden – mit so eindeutigen Ergebnissen", sagt Genzel. Steckt also hinter Sagittarius A* tatsächlich ein supermassereiches Schwarzes Loch? "Unser Ergebnis jedenfalls ist eine überwältigende Bestätigung dieser Annahme."

Über ihre Beobachtungen berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen ist.