»Auf Tuchfühlung mit dem Schwarzen Loch«

Ein Schwarzes Loch ist ja kein festes Objekt, sondern so etwas wie eine Grenzfläche in der Raumzeit. Im Gegensatz zu Planeten oder Sternen besitzen Schwarze Löcher also keine Oberfläche oder Strukturen. Nach der Relativitätstheorie sollten sie neben ihrer Masse nur zwei weitere Eigenschaften haben: Drehimpuls und elektrische Ladung. Die elektrische Ladung ist allerdings nur von theoretischem Interesse. Denn im galaktischen Zentrum befindet sich so viel geladenes Plasma, dass sich jede nennenswerte elektrische Aufladung sofort ausgleichen würde. Damit bleibt noch der Drehimpuls. Ein Schwarzes Loch kann sich drehen, wobei es die Raumzeit in seiner Umgebung mitzieht, wie ein rotierender Strudel oder Orkan. Diesen Effekt wollen wir in Zukunft mithilfe von S301 messen und damit Einsteins Theorie auf den Zahn fühlen.

Die vier Großteleskope des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarten ESO in Chile vor dem galaktischen Zentrum der Milchstraße. Die vier Laserstrahlen dienen als Leitsterne, um Fluktuation in der Atmosphäre ausgleichen zu können. Diese aufwendige Technik ermöglicht extrem scharfe Bilder. · Foto: © Mustermann

Wie soll das gehen?

Als wir S301 im Jahr 2023 entdeckt haben, war dieser Stern gerade schon am Schwarzen Loch vorbeigeflogen. Durch nachfolgende Messungen konnten wir seine Bahn aber genau verfolgen und haben gesehen: Er bremst schon kräftig ab und wird in einigen Jahren wieder an Sgr A* vorbeirauschen. Seine stark elliptische Bahnkurve bringt S301 knapp alle neun Jahre in die Nähe von Sgr A*. In der Astronomie, die sonst gerne in großen Zeitskalen denkt, ist das außerordentlich schnell. Bei seiner größten Annäherung kommt S301 dem Schwarzen Loch ungefähr so nahe wie Saturn der Sonne. Die enorme Schwerkraft, die an ihm zerrt, beschleunigt ihn am Punkt der größten Annäherung auf bis zu 25.000 Kilometer pro Sekunde. Das ist rund ein Zwölftel der Lichtgeschwindigkeit! Damit ist S301 auch der Stern mit der höchsten bekannten Maximalgeschwindigkeit. Die Passage in der Nähe des Schwarzen Lochs dauert wegen dieser hohen Geschwindigkeiten aber nur rund eine Woche.

Besteht nicht die Gefahr, dass der Stern bei solch unglaublichen Kräften einfach zerrissen wird?

In der Tat haben wir in den Tiefen des Alls, bei riesigen Schwarzen Löchern im Zentrum anderer Galaxien, immer mal wieder solche Ereignisse beobachtet. Dabei wird ein Stern, der zu nahe an das Schwarze Loch gerät, einfach in Stücke gerissen und verwandelt sich in eine ausgedehnte Gaswolke, die sich das Schwarze Loch mitunter einverleibt. Aber S301 ist vermutlich schon länger stabil auf seiner Umlaufbahn. Daraus können wir einen wichtigen Schluss ziehen: Es handelt sich bei S301 nicht um einen Riesenstern, sondern um ein sonnenähnliches Gestirn. Er ist also kompakt gebaut und dadurch wesentlich resistenter gegenüber externen Störungen. Wir schätzen die Masse von S301 auf rund 1,5 Sonnenmassen. Er ist also nur ein wenig schwerer und heller als unsere Sonne und befindet sich noch in seiner normalen Brennphase. Solche Sterne blähen sich am Ende ihrer Laufbahn zu Roten Riesen auf. Aber diesen Stand kann S301 noch nicht erreicht haben, sonst hätte ihn Sgr A* schon atomisiert.

Planen Sie derzeit schon die Beobachtung von S301, wenn er das nächste Mal am Schwarzen Loch vorbeischwingt?

Wir wollen dafür auf jeden Fall wieder die vier großen 8-Meter-Teleskope des VLT zusammenschalten. Dieses Teleskopsystem steht auf dem 2600 Meter hohen Berg Cerro Paranal in der chilenischen Atacama-Wüste, wo einzigartige Bedingungen herrschen. Und unser VLT-Instrument „Gravity+“, das wir hier am Institut entwickelt haben, bietet für solche Beobachtungen einmalige Möglichkeiten. Es besteht aus einer hochkomplexen Optik, mit der wir alle vier Teleskope zusammenschalten können.

Was bringt diese Zusammenschaltung?

Man nennt das eine interferometrische Abbildung. Damit erhalten wir erstens eine sehr viel höhere Auflösung, nämlich so, als hätten wir ein Teleskop, das so groß ist wie der weiteste Abstand zwischen den Teleskopen. Das entspricht von der Bildqualität her also einem Infrarotteleskop mit einem fast 200 Meter großen Spiegel. Und zweitens konnten wir die Lichtempfindlichkeit bei dieser Art von Abbildung in den letzten Jahren um mehrere Größenordnungen steigern. Dass wir einen Stern wie S301 überhaupt sehen können, ist also ein Indiz für immensen Fortschritt. Einfach war das nicht – dazu braucht man viel Geduld und Spucke und ein gutes Team. Diese hervorragende Bildqualität ist auch nur möglich, weil wir mit speziellen Korrekturoptiken das Flimmern in der Atmosphäre quasi abschalten können.

Im Nahbereich um Sgr A* befinden sich nur wenige Sterne. Mit Abstand am schnellsten bewegt sich S301, hier auf Aufnahmen vom Juli 2021 (v. l. n. r.), Juli 2023, Juni 2024 und Juli 2025 zu sehen. Seine stark elliptische Bahn wird S301 schon in wenigen Jahren wieder am Schwarzen Loch vorbeiflitzen lassen. · Foto: © Grafik: ESO / GRAVITY collaboration

Sie meinen, mithilfe von adaptiver Optik?

Ja, dazu schießen wir an jedem der vier Teleskope einen Laserstrahl in den Himmel. Diese Strahlen werden von den Luftschichten in unterschiedlicher Höhe reflektiert. Diesen Effekt können wir vermessen und mit dieser Information das leichte Wackeln der Sterne, das durch Wind und Schwankungen des Luftdrucks bewirkt wird, praktisch vollständig eliminieren. Man nennt das adaptive Optik, weil man diese Korrekturen fortlaufend anpassen muss. Dadurch wird bereits das Bild der einzelnen Teleskope so scharf, als wären wir im Weltraum und hätten keine störende Atmosphäre über uns. Das liefert eine so immense Verbesserung, dass praktisch alle neuen Großteleskope mit solchen Optiken arbeiten. Auch das gegenwärtig in Fertigstellung befindliche Extremely Large Telescope, oder kurz ELT, wird damit arbeiten. Dieses Teleskop steht auf einem Berg in der Nähe des VLT und wird einen gigantischen Spiegel von 39 Metern Durchmesser haben.

Wird dieses Riesenteleskop denn bereits zur Verfügung stehen, wenn S301 das nächste Mal am Schwarzen Loch vorbeifliegt?

Wir sind sehr zuversichtlich, dass die Inbetriebnahme des ELT wie geplant im Jahr 2029 vonstattengehen kann. Das wäre gerade noch rechtzeitig, um die Passage von S301 im Jahr 2031 zu beobachten. Man braucht ja auch immer ein wenig Zeit zur Kalibrierung, wenn solche Teleskope den Betrieb aufnehmen. Als erstes Instrument wird ein System namens MICADO am ELT zum Einsatz kommen. Wir sind durchaus stolz darauf, denn auch dieses Instrument haben wir hier an unserem Max-Planck-Institut entwickelt. Wenn wir die Daten des VLT und des ELT kombinieren, können wir dann mit bislang ungeahnter Genauigkeit die Bahn von S301 vermessen, während er auf Tuchfühlung mit dem Schwarzen Loch geht.

Sind bislang keine anderen Sterne in unmittelbarer Nähe zu Sgr A* bekannt?

Der bisherige Spitzenreiter ist ein Stern mit der Bezeichnung S2. Seine kürzeste Entfernung zum Schwarzen Loch entspricht mehr als dem doppelten Abstand von Pluto zur Sonne. Das ist rund zehnmal so weit wie S301. Zwar wird auch S2 ziemlich schnell und erreicht über zwei Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Aber in dieser Distanz ist der Strudel-Effekt kaum noch wirksam, den ich vorhin angesprochen habe. Dieser entsteht, wenn ein Schwarzes Loch schnell rotiert. Dann zieht es die Raumzeit in seiner direkten Umgebung mit. Dieses Mitreißen wird nach seinen Entdeckern auch Lense-Thirring-Effekt genannt und ist eine direkte Konsequenz aus Einsteins Relativitätstheorie. S301 wird nun in diesen Kernbereich ganz nahe am Schwarzen Loch eindringen. Denn werden wir sehen, ob die Rotation von Sgr A* die Bahnkurve des Sterns auf ungewohnte Art verändert.

Was lässt sich daraus lernen?

Wir können damit gleich mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen. Erstens wollen wir damit die Rotation von Sgr A* vermessen. Zweitens wollen wir die Einstein‘sche Relativitätstheorie überprüfen, ob der Lense-Thirring-Effekt wirklich so eintritt wie vorhergesagt. Und drittens – aber das wird sich erst nach vielen Jahren der Beobachtung herausstellen – könnte es sein, dass zusätzliche Effekte auftreten, weil Schwarze Löcher doch unbekannte Strukturen aufweisen, die über die Vorhersagen der Relativitätstheorie hinausgehen.

Und wenn gar nichts zu sehen ist?

Dann heißt das, dass Sgr A* entweder zu langsam rotiert oder dass unsere Instrumente noch nicht gut genug sind (lacht). Dann müssen wir wie immer in der Astronomie bessere Instrumente bauen und Geduld haben. Aber ich werde dann schon in Rente sein. Ich genieße ja das Privileg, noch über das normale Pensionsalter hinaus meiner Leidenschaft nachgehen zu können. Die Max-Planck-Gesellschaft hat uns über viele Jahre großzügig unterstützt und uns langfristige Projekte planen lassen, die sich nun zunehmend auszahlen. Künftig werde ich noch von der Seitenlinie aus teilnehmen. Aber ich sehe viele hervorragende junge Leute hier am Institut. Von daher bin ich guten Mutes, dass noch viele spannende Entdeckungen anstehen – ganz unabhängig von den Beobachtungen an S301.

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