GARCHING BEI MÜNCHEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Astronominnen und Astronomen haben mit dem Stern S301 den bislang schnellsten bekannten Stern in der Milchstraße identifiziert. S301 kreist das supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* in einer Umlaufbahn mit nur 8,7 Jahren und erreicht dabei Geschwindigkeiten von rund 25.000 km/s. Die Bahn kommt dem Schwarzen Loch so nahe, dass sich erstmals die Rotation des Schwarzen Lochs direkt messen lassen soll. Für die Spin-Analyse planen die Forschenden Folgebeobachtungen über das kommende Jahrzehnt, unter anderem mit GRAVITY+ und dem MICADO-Instrument am Extremely Large Telescope.
Im Zentrum der Milchstraße dreht sich nicht nur die Materie im Einflussbereich von Sagittarius A*, sondern jetzt rückt auch die Frage nach dem Spin des Schwarzen Lochs in den Bereich dessen, was sich mit realen Messdaten belegen lässt. Der neu identifizierte Stern S301 läuft nicht irgendeine Standardbahn ab, sondern zieht das gravitative Umfeld von Sagittarius A* so eng, dass die Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie auf seiner Umlaufbahn besonders stark sichtbar werden. Wenn ein Objekt dem Ereignishorizont-nahem Regime zustrebt, verstärken sich unter anderem die Einflüsse rotierender Raumzeitgeometrien auf die Dynamik. Genau darauf zielt die Entdeckung: S301 kommt Sagittarius A* näher als jedes zuvor beobachtete Objekt und macht dadurch eine direkte Spin-Messung plausibel.
Technisch beginnt die Geschichte am Very Large Telescope Interferometer, das mit seinem Ansatz über mehrere 8-Meter-Teleskope ein virtuelles Teleskop erzeugt. Die Stärke liegt dabei in der interferometrischen Bündelung: Das Team beschreibt eine 15-fache räumliche Auflösung im Vergleich zu einem einzelnen 8-Meter-Teleskop. Nachgewiesen wurde S301 mit dem Instrument GRAVITY am VLTI, das inzwischen als GRAVITY+ betrieben wird. Bei der engsten Annäherung durchläuft der Stern eine Distanz von nur 1,78 Milliarden Kilometern zu Sagittarius A*; damit erreicht er Geschwindigkeiten von rund 25.000 Kilometern pro Sekunde. In der Einordnung wird S301 damit als deutlich schneller charakterisiert als ein Verkehrsflugzeug und zugleich als Fixpunkt für den Rekord der schnellsten bekannten Sterne in der Milchstraße.
Für die reine Faktenlage sind die Bahnparameter entscheidend, weil sich daraus der Messwert ableitet, den die Forschenden verfolgen: S301 benötigt lediglich 8,7 Jahre für einen Umlauf um Sagittarius A* und nähert sich dem Schwarzen Loch bis auf das Zwölfache der Distanz zwischen Erde und Sonne. Felix Mang, Doktorand am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, hebt dabei die extreme Enge hervor: „Das Besondere an diesem Stern ist seine sehr enge Umlaufbahn um Sagittarius A*: Er benötigt lediglich 8,7 Jahre für einen Umlauf und nähert sich dem Schwarzen Loch bis auf das Zwölffache der Distanz zwischen Erde und Sonne an. Das ist ohne Beispiel.“ Genau diese Nähe sorgt dafür, dass die Rotation des Schwarzen Lochs als messbarer Einfluss auf die Bahndynamik erkennbar werden kann. Nobelpreisträger Reinhard Genzel, ebenfalls an der Kollaboration beteiligt, formuliert den größeren Kontext so: „Jahrzehnte sorgfältiger Nachbeobachtungen von Sternen, die das zentrale Schwarze Loch unserer Galaxie, Sagittarius A*, umkreisen, haben zu dieser bahnbrechenden Entdeckung eines äußerst vielversprechenden Sterns geführt.“
Der nächste Layer ist die Strategie, aus Beobachtungen nicht nur eine Bahn, sondern eine physikalische Größe zu extrahieren. Nach den Angaben der Forschenden ist S301 nicht nur derzeit in der Messbarkeit, sondern seine Historie lässt sich bis zurück in die Rekonstruktion bis ins Jahr 2017 verfolgen. Der Stern absolvierte demnach seine engste Annäherung zuletzt Anfang 2023, und die Messungen werden anschließend kontinuierlich nachverfolgt. Besonders spannend ist die physikalische Einordnung: Sterne können nach dem beschriebenen Verständnis nicht einfach „zufällig“ so nahe an einem massereichen Schwarzen Loch entstehen; deshalb deuten die Bahneigenschaften darauf hin, dass S301 ursprünglich Teil eines Doppelsternsystems war. Durch Gezeitenkräfte von Sagittarius A* sei das System zerrissen worden, sodass S301 eingefangen und sein Begleitstern vermutlich mit hoher Geschwindigkeit herausgeschleudert wurde.
Für den Spin-Test ist zudem das Timing entscheidend, weil die Messung an die Möglichkeit geknüpft ist, die Bahn über ausreichend viele Umläufe präzise einzugrenzen. Die nächste enge Annäherung steht 2031 an, und das Team setzt für die langfristige Kurvenbestimmung auf Beobachtungen mit GRAVITY+ sowie auf ergänzende Daten mit MICADO am kommenden Extremely Large Telescope. Entscheidend ist dabei nicht nur die Punktgenauigkeit einzelner Messwerte, sondern die Fähigkeit, mindestens zwei vollständige Umlaufbahnen zu erfassen: Erst dann lässt sich die Trajektorie so hochaufgelöst modellieren, dass der Spin von Sagittarius A* direkt bestimmbar wird. Stefan Gillessen, ebenfalls maßgeblich an der Studie beteiligt, beschreibt den Nutzen als zentralen Test für Einsteins Theorie: „Damit wären wir erstmals in der Lage, die Rotation eines massereichen Schwarzen Lochs sehr direkt zu bestimmen – ein zentraler Test für Einsteins Theorie.“ Juan Osorno ergänzt aus der Perspektive der nötigen Messdauer: „Ohne diesen Stern müssten wir die Bewegung anderer Sterne noch mehrere Jahrzehnte lang verfolgen, um der Messung des Spins auch nur nahezukommen.“
Auch am Helligkeitsniveau wird sichtbar, warum das Ergebnis nicht „einfach“ war: S301 leuchtet am Himmel etwa zwei Milliarden Mal schwächer als Beteigeuze, weshalb die Identifikation und das Tracking ohne interferometrische Hochpräzisionsmethoden kaum möglich gewesen wären. Die Rolle von Paranal wird dabei konkret gemacht: Dort sei ein Beobachtungssetup verfügbar, das genau diese Kopplung mehrerer 8-Meter-Teleskope zum Interferometer ermöglicht. Damit fügt sich die Entdeckung in eine breitere Entwicklung ein, in der Instrumente schrittweise modernisiert werden, um immer lichtschwächere Objekte im Zentrum der Milchstraße aufzuspüren. Für das nächste Jahrzehnt bedeutet das: Der Datenstrom wird nicht nur die Bahn von S301 weiter verdichten, sondern auch die Messmethodik so weit treiben, dass aus einer Bahndynamik am Ende eine physikalische Eigenschaft des Schwarzen Lochs wird.
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