CHILE / LONDON (IT BOLTWISE) – Ein Team am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik hat den Stern S301 entdeckt, der das zentrale Schwarze Loch Sagittarius A* deutlich näher und schneller umkreist als jeder zuvor bekannte Stern. Die Umlaufzeit liegt bei 8,7 Jahren, die größte Annäherung entspricht etwa der Entfernung zwischen Sonne und Saturn. Entscheidend ist aber die Lage der Bahn: S301 passiert einen Bereich, in dem die Rotation des Schwarzen Lochs die Raumzeit messbar „mitzieht“. Damit rückt die direkte Bestimmung des Spins von Sagittarius A* in greifbare Nähe, vorbereitet durch GRAVITY+ und künftig MICADO.
Das galaktische Zentrum bleibt ein Labor für die stärksten Gravitations- und Geschwindigkeitsbedingungen in unserer unmittelbaren kosmischen Nachbarschaft. Jetzt kommt mit S301 ein Stern hinzu, der die Messlatte für Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie weiter nach unten setzt: Die Bahn um Sagittarius A* liegt so eng wie bei keinem zuvor beobachteten Vergleichsobjekt, und die Umlaufzeit beträgt laut den vorliegenden Angaben 8,7 Jahre. Für die Physik ist das mehr als eine neue Bahnkurve im Datenarchiv, denn bei S301 überlagern sich mehrere relativistische Effekte auf einer einzigen, direkt verfolgten Bewegung. Genau in dieser „Überlappungszone“ wird Lense-Thirring als messbarer Einfluss auf die Umlaufparameter erwartet und damit experimentell greifbar gemacht.
Technisch basiert die Entdeckung auf der Kombination aus extrem hoher Winkelauflösung und gezielter Datenaufbereitung. Der entscheidende Beobachtungshebel heißt GRAVITY am Very Large Telescope Interferometer: Das System bündelt das Licht von vier 8-Meter-Teleskopen und erreicht damit eine Auflösung, die um den Faktor 40 schärfer sein kann als die eines einzelnen Teleskops. Mit GRAVITY+ wurde die Empfindlichkeit zusätzlich durch ein neues adaptives Optiksystem und Laserleitsterne um den Faktor 10 bis 100 gesteigert. In der Praxis heißt das, dass S301 trotz seiner großen Schwäche im Vergleich zur Helligkeit vieler Nachbarsterne überhaupt als Bildpunkt unterscheidbar wird: Die Angaben vergleichen die Leuchtkraft mit zwei Milliarden Mal geringerer Helligkeit als Beteigeuze. Um die Bahn dennoch über viele Jahre konsistent rekonstruieren zu können, analysierte das Team Beobachtungsdaten mit einer für die Positionsbestimmung relevanten Auflösung im Bereich weniger Millibogensekunden, was in der Intuition grob „Auto auf dem Mond“ entspricht.
Die Bahnparameter führen direkt in den Bereich der Relativitätstheorie, der über Newton hinausgeht. S301 nähert sich Sagittarius A* bis auf zwölf astronomische Einheiten, was in etwa der Distanz zwischen Sonne und Saturn entspricht. Gleichzeitig zeigt die Bahn eine starke Elliptizitätsdominanz, aber sie weicht offenbar deutlich von der rein klassisch-elliptischen Vorhersage ab. Dabei ist nicht nur die Krümmung von Raum und Zeit durch die Masse des Schwarzen Lochs im Spiel, sondern auch seine Rotation. Einerseits greift die sogenannte Schwarzschild-Präzession: Auch schon bei S2 wurde beobachtet, dass sich der Punkt der größten Annäherung (Periapsis) mit der Zeit verschiebt. Andererseits kommt der Lense-Thirring- oder Frame-Dragging-Effekt hinzu, der gerade deshalb besonders interessant ist, weil er durch die Rotation des massereichen Objekts ausgelöst wird und damit schwächer, aber „spin-sensitiv“ ist.
In diesem Kontext formuliert Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Nobelpreisträger für Physik 2020, die Messzielrichtung deutlich: S301 untersuche die Raumzeit im galaktischen Zentrum etwa zehnmal näher an Sagittarius A* als der bisher beste bekannte Stern S2, und innerhalb des nächsten Jahrzehnts werde man die Rotation des Schwarzen Lochs direkt messen. Genau diese Direktheit unterscheidet den Ansatz von Beobachtungen, die vor allem das diffuse, erhitzte Gas oder die Strahlung aus der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs in den Fokus rücken. Bei S301 steht dagegen die Bewegung eines einzelnen Sterns im Mittelpunkt: Mit den Positionsdaten von GRAVITY+ sollen die Radialgeschwindigkeitsmessungen aus Radialgeschwindigkeitsdaten des im Bau befindlichen MICADO-Instruments am Extremely Large Telescope kombiniert werden. Ziel ist die dreidimensionale Rekonstruktion der Bahn und damit die Ableitung des Spin-Werts von Sagittarius A* auf Basis von Bewegungsdaten statt indirekter Bildsignaturen.
Für die Wissenschaftler im Projekt ist das nicht nur ein einzelner Erfolg, sondern ein Baustein innerhalb einer langfristigen Teststrategie. Die Kerr-Metrik zu prüfen bedeutet, die mathematische Beschreibung der Raumzeit um ein rotierendes Schwarzes Loch mit Beobachtungen gegenzuprüfen. Stefan Gillessen vom Max-Planck-Institut beschreibt als perspektivisches Weiterziel, dass die Analyse der Bahn von S301 sogar Hinweise auf das No-Hair-Theorem liefern könnte – also die Annahme, dass ein Schwarzes Loch vollständig durch wenige Parameter wie Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung beschrieben werden kann. Praktisch heißt das: Je näher die gemessene Sternbahn an die Region heranreicht, in der Frame-Dragging dominiert, desto stärker werden Abweichungen zwischen Theorie und realer Dynamik sichtbar. Felix Mang, Doktorand am MPE, ordnet S301 genau in diese Empfindlichkeitszone ein: Der Stern kreise im Bereich, in dem der Lense-Thirring-Effekt der Raumzeit extrem ist, und man messe damit, wie die Rotation die Raumzeitverzerrung direkt prägt.
Markt- oder industriegetriebene Parallelen sind hier nur indirekt, aber für die Forschungsökosysteme ist die Lehre klar: Höhere Auflösung erzeugt nicht automatisch bessere Resultate, solange sie nicht von Datenverarbeitung und nachgelagerter Instrumentenkombination begleitet wird. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass GRAVITY+ nicht nur die Sichtbarkeit lichtschwacher Objekte erhöht, sondern auch eine Datenanalysemethode braucht, die das schwache Signal in einem Umfeld aus deutlich helleren Sternen herausfiltern kann. Neben der Astrophysik profitieren auch die Techniklinien rund um adaptive Optik, interferometrische Positionsmessung und präzise Spektrometrie, weil sie in ähnlicher Form in anderen Hochpräzisionsbereichen wiederauftauchen können. Wenn MICADO seine Radialgeschwindigkeitskomponente im Zusammenspiel liefert, verschiebt sich der Schwerpunkt von der Entdeckung hin zur wiederholten, systematischen Vermessung, die das Spin-Thema quantitativ unterfüttern soll.
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