Tiefe Blicke ins Zentrum der Milchstraße

Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße verrät sich durch die Sternbewegungen in seiner Nähe. Mit dem Very Large Telescope Interferometer lassen sie sich mit hoher Genauigkeit beobachten.

Ein Artikel von Denise Müller-Dum und Jens Kube

Im Zentrum unserer Milchstraße befindet sich ein extrem massereiches Schwarzes Loch. Seine intensive Radiostrahlung führte zur Bezeichnung Sagittarius A*: Die stärkste (A) Radioquelle im Sternbild Schütze (Sagittarius). Dass es sich bei dieser Radioquelle tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt, hat sich durch Sternbewegungen bestätigt, die Forschende seit den 1990er Jahren beobachtet haben. Aus den Umlaufbahnen der Sterne bestimmten sie die Ausdehnung und Masse des zentralen Objekts. Aus dem Ergebnis schlossen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, es handle sich um ein Schwarzes Loch. Für diese Erkenntnis erhielten Andrea Ghez (University of California in Los Angeles, USA) und Reinhard Genzel (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching, Deutschland) 2020 zusammen mit dem Theoretiker Roger Penrose den Nobelpreis für Physik.

Hohes Zoom im Verbund

Die Sternbewegungen im Zentrum unserer Galaxie werden auch weiterhin genau verfolgt und können dabei immer präziser vermessen werden. Mithilfe des Very Large Telescope Interferometer (VLTI) können Astronominnen und Astronomen nun 20-mal näher an das Zentrum unserer Galaxie heranzoomen als zuvor.

Das VLTI besteht aus den vier Teleskopen des Very Large Telescopes (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile, mit denen Nobelpreisträger Genzel seine Beobachtungen gemacht hatte. Zusammen mit vier weiteren, kleineren Spiegeln sammeln die je acht Meter messenden Teleskope das Licht, das für die VLT-Interferometrie überlagert wird. Als Interferometer dient ein Instrument mit dem Namen GRAVITY, das seit 2016 im Betrieb ist. Es erlaubt eine besonders hohe räumliche Auflösung, die der eines Einzelteleskops mit 120 Metern Durchmesser entspricht. Damit ermöglichte die Technologie eine Reihe neuer Entdeckungen.

Das Paranal-Observatorium mit den vier 8,2 Meter großen Teleskopen des Very Large Telescopes, den vier kleineren Spiegeln und dem VLT Survey Telescope. Credit: ESO/G.Hüdepohl

Sternenbahnen genau vermessen

So belegten Forschende beispielsweise 2020 einen Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie: Sie zeigten, dass die Bahn des Sterns S2 keiner Ellipse folgt, wie von der Newtonschen Gravitationstheorie vorhergesagt. Vielmehr erfährt die Bahn selbst eine Rotation, sodass sie die Form einer Rosette bekommt. In unserem Sonnensystem ist dieser Effekt besonders ausgeprägt bei der Bahn des Merkurs um die Sonne zu beobachten. Mit ihren Beobachtungen vom Zentrum der Milchstraße wiesen die Forschenden diese sogenannte Schwarzschild-Präzession erstmals an einem Schwarzen Loch nach.

Künstlerische Darstellung der Umlaufbahn des Sterns S2: Er bewegt sich nicht in einer Ellipse um das Schwarze Loch, sondern in einer Rosette. Credit: ESO/L. Calçada

Zwischen März und Juli 2021 nahmen Astronominnen und Astronomen die Sterne im galaktischen Zentrum erneut in den Blick. Tatsächlich verhalten diese sich exakt so, wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt – für Objekte, die um ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 4,3 Millionen Sonnen kreisen. Damit konnten die Forschenden die Masse des Schwarzen Lochs auf diesen Wert präzisieren. Und auch seine Position konnten sie genauer bestimmen: Demnach ist das Zentrum unserer Milchstraße 27.000 Lichtjahre von uns entfernt.

Ein Rekord und eine neue Entdeckung

Während der Beobachtungen zog der Stern S29 in Rekordnähe am Schwarzen Loch vorbei: Mit einer Geschwindigkeit von 8740 Kilometern pro Sekunde passierte er Sagittarius A* in einer Entfernung von 13 Milliarden Kilometern. Das ist fast das Dreifache des Abstands des äußersten Planeten Neptun von der Sonne. Stand 2022 hatten Forschende noch nie einen Stern beobachtet, der dichter oder schneller am Schwarzen Loch vorübergezogen wäre. Das zentrale Objekt kann also nicht größer als die beobachtete Minimalentfernung von S29 zum Zentrum sein.

Auch ein bis dahin noch nicht beobachteter Stern gelangte in das Sichtfeld der Astronominnen und Astronomen: S300, der aufgrund seines schwachen Lichts bis 2021 unentdeckt geblieben war, konnten sie mit dem VLTI sichtbar machen.

Animierte Sequenz der VLTI-Aufnahmen. Credit: ESO/GRAVITY collaboration/L. Calçada

Immer empfindlicher, immer näher

Eine Frage konnten die Forschenden jedoch noch nicht beantworten: Wie schnell sich das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße um sich selbst dreht. Doch auch das soll in Zukunft möglich werden: GRAVITY wird derzeit zu GRAVITY+ weiterentwickelt mit dem Ziel, die Empfindlichkeit des Instruments weiter zu steigern. So sollen noch weitere Sterne auf noch engeren Umlaufbahnen um das Schwarze Loch sichtbar werden. Diese Objekte wären dem Schwarzen Loch dann so nahe, dass sie die durch dessen Rotation verursachten Gravitationswirkungen spüren würden.

Weitere Informationen

Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte zu den VLTI-Entdeckungen vom 14.12.2021

Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte zum Orbit von S2 vom 16.4.2020.

Kolophon

Denise Müller-Dum

ist Physikerin und Geowissenschaftlerin und arbeitet als Wissenschaftskommunikatorin in Bremen.

Jens Kube

ist Astrophysiker und freier Wissenschaftskommunikator. Seit 2018 ist er Redakteur bei Einstein Online.

Zitierung

Zu zitieren als:
Denise Müller-Dum und Jens Kube, “Tiefe Blicke ins Zentrum der Milchstraße” in: Einstein Online Band 14 (2022), 1101

Definitioner

GRAVITY

GRAVITY is part of the Very Large Telescope Interferometer (VLTI) at the European Southern Observatory in Chile. The instrument operates in the near infrared and combines the light of four telescopes, whereby it achieves the spatial resolution of an equivalent telescope with 130 meters in diameter. Due to its high sensitivity and accuracy, it allows researchers to render very small and faint cosmic objects visible. GRAVITY also measures distances very accurately and is therefore very suitable for the measurement of movements. For example, with the help of GRAVITY, the motion of a star around the black hole at the centre of our galaxy could be observed, confirming the predictions of general relativity.

GRAVITY

GRAVITY ist Teil des Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte in Chile. Das im nahen Infrarot betriebene Instrument kombiniert das Licht von vier Teleskopen und erreicht dadurch die räumliche Auflösung eines Teleskops mit 130 Metern Durchmesser. Dank dieses hohen Auflösungsvermögens können Forschende sehr kleine Himmelskörper sichtbar machen. GRAVITY kann außerdem Entfernungen und damit auch Bewegungen sehr gut messen. Mithilfe von GRAVITY gelang es beispielsweise, die Bewegung eines Sterns um das schwarze Loch in unserer Galaxie zu beobachten und damit Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu bestätigen.

Ellipse

Geometrische Figur bestehend aus einer geschlossenen ovalen Kurve. Alle Punkte auf dieser Kurve sind so angeordnet, dass die Summe der Abstände dieser Punkte zu zwei innerhalb der Kurve liegenden Brennpunkten gleich ist. Spezialfälle der Ellipse sind Kreise (die beiden Brennpunkte fallen zusammen) und Geradenabschnitte (der vorgegebene Abstandswert entspricht gerade dem Abstand der Brennpunkte). In Bezug auf die Gravitation sind Ellipsen von Interesse, da die Bahn eines einsamen Planeten um ein Zentralgestirn in der Newtonschen Gravitationstheorie gerade eine Ellipse ist.

Stern

Fällt im Weltall eine Wolke aus Staub und Gas in sich zusammen, kommt es unter günstigen Bedingungen zur Bildung eines Sterns, eines kosmischen Fusionsofens, in dessen Inneren Wasserstoff und andere Atomkerne miteinander verschmolzen werden. Die dabei freiwerdende Energie macht Sterne zu leistungsstarken Lichtquellen. Der uns nächste Stern ist die Sonne.

Ist der Kernbrennstoff verbraucht, kann ein Weisser Zwerg, ein Neutronenstern oder auch ein Schwarzes Loch entstehen.

Sonne

Zentrale Masse unseres Sonnensystems; der uns nächste Stern; Gasball mit einem Radius von 700 000 km und einer Masse von 1,989·10³⁰ Kilogramm (Probleme mit Ausdrücken wie 10³⁰? Siehe den Eintrag Zehn-Hoch-Schreibweise), in dessen Innerem Kernfusionsprozesse ablaufen, die letzendlich für das stetige Leuchten der Sonne verantwortlich sind.

Sekunde

Zeiteinheit im Internationalen Einheitensystem. Definiert über die Schwingungsdauer der elektromagnetischen Strahlung, die bei einem bestimmten Übergang in der Elektronenhülle von Atomen des Typs Cäsium-133 freigesetzt wird.

Relativitätstheorie

Die auf Albert Einstein zurückgehenden Theorien von Raum und Zeit: Die Spezielle Relativitätstheorie, in der die Gravitation außen vor bleibt, und die Allgemeine Relativität, in der die Gravitation als Verzerrung von Raum und Zeit in Erscheinung tritt. Eine Einführung in die Grundideen der beiden Relativitätstheorien bieten die Kapitel Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Viele weitere Informationen zu den Relativitätstheorien und der auf ihnen basierenden relativistischen Physik bieten unsere Vertiefungsthemen.

Milchstraße

Unsere Heimatgalaxie, eine Spiralgalaxie mit einem Scheibendurchmesser von rund hunderttausend Lichtjahren und einer Scheibendicke zwischen drei- und sechstausend Lichtjahren, die rund 100 Milliarden Sterne enthält.

Nähere Informationen zum supermassiven Schwarzen Loch im Kern unserer Milchstraße bietet das Vertiefungsthema Im Herzen der Milchstraße

Meter

Der oder das Meter ist im internationalen Einheitensystem die Basiseinheit der Länge. Seit 1983 nutzt die Definition dieser Längeneinheit die mit der Speziellen Relativitätstheorie erkannte Konstanz der Lichtgeschwindigkeit aus, und die Definition erfolgt über die der Zeiteinheit Sekunde: ein Meter ist die Länge, die Licht im Vakuum in einer 299792458tel Sekunde zurücklegt.

Geschwindigkeit

In der Physik hat Geschwindigkeit zwei Aspekte: Erstens, wie im Alltag: wie schnell ist ein Objekt? Zweitens, etwas ungewohnter: in welche Richtung bewegt es sich? Physiker fassen diese beiden Informationen in einer einzigen Größe zusammen, einer "gerichteten Größe" oder einem "Vektor", den sie die Geschwindigkeit des Objekts nennen. Im Alltag ist mit Geschwindigkeit oft nur die Schnelligkeit gemeint, und der physikalische Sprachgebrauch ist daher etwas gewöhnungsbedürftig: Ein Auto, das mit 100 Stundenkilometern um die Kurve fährt, ändert seine Bewegungsrichtung und damit im Sprachgebrauch der Physiker auch seine Geschwindigkeit – obwohl es während der Kurvenfahrt immer gleich schnell ist.

Sonnensystem

Unsere nähere kosmische Nachbarschaft, bestehend aus dem uns nächsten Stern(der Sonne), den acht Planeten, die um sie kreisen und diversen kleineren Himmelskörpern, Staub und Gas. In Bezug auf die Relativitätstheorie ist das Sonnensystem vor allem als Laboratorium interessant, in dem sich Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überprüfen lassen - insbesondere jene, die von den Vorhersagen der klassischen, Newtonschen Gravitationstheorie abweichen. Beispiele sind die relativistische Periheldrehung der Planetenbahnen, die Lichtablenkung am Sonnenrand sowie relativstische Lichtlaufzeit-Verzögerungen.

Schwarzes Loch

Raumgebiet, das im Vergleich mit seiner Ausdehnung so viel Masse enthält, dass sich eine kosmische Einbahnstraße bildet - eine Raumregion, in die Materie und Licht zwar von außen hereinfallen können, welche aber von nichts und niemandem, jemals wieder verlassen werden kann. Grundlegende Informationen zu diesem zentralen Phänomen der Einsteinschen allgemeinen Relativitätstheorie sind im Abschnitt Schwarze Löcher und Co. von Einstein für Einsteiger zu finden. Im Rahmen von Einsteins Theorie gilt: Da Schwarzen Löchern nichts entkommen kann, sind sie tatsächlich schwarz - sie strahlen insbesondere keinerlei Licht ab. Bezieht man die Quantentheorie mit ein, ergibt sich jedoch, dass Schwarze Löcher trotzdem strahlen - sie senden so genannte Hawkingstrahlung aus. Für die astrophysikalischen Schwarzen Löcher (mit Massen größer als die Sonnenmasse) ist dieser Effekt freilich so klein, dass er selbst in direkter Nachbarschaft des Schwarzen Lochs mit heutigen Sensoren nicht nachweisbar wäre. Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Physik Schwarzer Löcher finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Schwarze Löcher & Co..

Masse

In der klassischen Physik spielt die Masse eines Köpers drei Rollen gleichzeitig. Zum einen ist die Masse ein Maß dafür, wie leicht sich der Bewegungszustand eines Körpers ändern lässt ("träge Masse"). Fliegen an einem schwerelosen Raumfahrer ein Elefant und eine Maus vorbei, und gibt der Raumfahrer jedem der Tiere einen Schubs gleicher Stärke, dann ist der Umstand, dass die Maus ihre Flugrichtung und/oder Geschwindigkeit daraufhin sehr stark ändert, der Elefant dagegen kaum, sicheres Zeichen dafür, dass die Masse des Elefanten wesentlich größer ist als die der Maus. Zweitens ist die Masse ein Maß dafür, aus wieviel Materie ein Körper besteht. Atome ein und derselben Sorte haben dieselbe Masse, und die Gesamtmasse eines Körpers ergibt sich, indem man all die winzigen Massen seiner atomaren Bestandteile zusammenzählt. Drittens bestimmt die Masse gemäß dem Newtonschen Gravitationsgesetz, wie stark ein Körper andere Körper über die Schwerkraft anzieht und wie stark andere Massen ihn anziehen ("schwere Masse"). Auch in der Speziellen Relativitätstheorie lässt sich eine Masse definieren, die ein Maß dafür darstellt, wie stark sich der Körper Versuchen wiedersetzt, seinen Bewegungszustand zu ändern. Diese relativistische Masse ist allerdings davon abhängig, wie schnell sich der betreffende Körper gegenüber dem Beobachter bewegt (relativistische Massenzunahme). Ihren berühmtesten Auftritt hat diese Masse in der Formel E = mc² (Masse-Energie-Äquivalenz). Den kleinsten Wert hat die relativistische Masse eines gegebenen Körpers für einen Beobachter, der sich relativ zum Körper in Ruhe befindet. Dies ist die so genannte Ruhemasse des Körpers, und wenn etwa in der relativistischen Teilchenphysik von Masse die Rede ist, ist meist die Ruhemasse gemeint. Die Ruhemasse ist wie in der klassischen Physik eine Art Maß für den Materiegehalt des Körpers. Bei zusammengesetzten Körpern tragen nun aber beispielsweise die Energien der Bindungskräfte etwas zur letztendlichen Masse bei (wieder ein Beispiel für die Masse-Energie-Äquivalenz. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Masse nach wie vor ein Maß für die Gravitationswirkung, die von einem Körper ausgeht; zusätzlich zur Masse tragen hier allerdings auch Größen wie Energie, Impuls und innerer Druck bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr). Die Maßeinheit der Masse im internationalen Einheitensystem ist das Kilogramm. Mit der Definition von träger und schwerer Masse - Masse als Trägheitsmaß und "Gravitationsladung" - und mit dem Zusammenhang dieser Definitionen mit dem so genannten Äquivalenzprinzip, einem der Ausgangspunkte der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie, beschäftigt sich das Vertiefungsthema Träge und schwere Masse.

Galaxie

Sterne sind keine Einzelgänger, sondern sind im All in der Regel in Ansammlungen von Millionen, Milliarden oder noch mehr Sternen vertreten, eben den Galaxien. Auch unsere Sonne ist Teil einer Galaxie, der Milchstraße. Die griechische Form Galaxis wird in der Regel nur für unsere Milchstraße verwandt. Junge Galaxien können ein sehr turbulentes Dasein führen. Beispiele für junge, aktive Galaxienkerne sind Radiogalaxien und Quasare.

stars (star)

A cosmic gas ball that is massive enough for pressure and temperatur in its core to reach values where self-sustained nuclear fusion reactions set in. The energy set free in these reactions makes stars into very bright sources of light and other forms of electromagnetic radiation. Once the nuclear fuel is exhausted, the star becomes a white dwarf, a neutron star or a black hole.

Milky Way

1. Our home galaxy - a spiral galaxy, a disk of stars with a diameter of roughly hundred thousand light-years and a thickness between three- and six thousand light-years, containing about 100 billions of stars. It also contains a supermassive black hole in its centre - more about that in our spotlight topic The black heart of the Milky Way. 2. As our sun is located within the disk of the Milky Way galaxy, there are directions in which we can observe comparatively few of the other stars in our galaxy (namely as we look perpendicularly to the disk, or nearly so) and directions in which we can see a large amount of stars (as we look approximately in parallel with the disk plane). The result is that there is a dim band in the night sky marking the disk plane (the directions where we see a lot of the other stars). This band is also known as the Milky Way.

ESO (European Southern Observatory)

A cooperative effort of 10 member states of the European union, ESO operates a number of large-scale telescopes such as the "Very Large Telescope" (VLT) and the "New Technology Telescope" (NTT). The telescopes themselves are located in Chile; the observatory's main office is in Garching, close to Munich in Germany.

ESO website

black hole

Region in space where a sufficient amount of mass is concentrated so that it forms a gravitational prison - a region into which matter or light can enter from the outside, but from which nothing that has once entered can ever leave. Basic information on this key phenomenon of Einstein's general theory of relativity can be found in the chapter Black holes & Co. of Elementary Einstein. Selected aspects of the physics of black holes and neutron stars are described in the category Black holes & Co. of our Spotlights on relativity. In Einstein's theory, black holes are truly black, due to the fact that no radiation or light can ever escape them. Once quantum theory is taken into account, this assumption no longer holds - on the contrary, it seems as if black holes should emit so-called Hawking radiation. However, for astrophysical black holes (that typically have more or even much more than one solar mass), that radiation would be undetectable, even if we could transport today's most sensitive sensors into the immediate vicinity of the black hole.