PARANAL (CHILE) / LONDON (IT BOLTWISE) – Astronomen haben den Stern S301 entdeckt, der das Schwarze Loch Sagittarius A* extrem nah umkreist. Bei der engsten Passage erreicht S301 rund 25.000 km/s und kommt in einen Abstand, der etwa dem 12-Fachen der Entfernung Erde–Sonne entspricht. Die Beobachtungen mit dem VLTI und dem Instrument GRAVITY+ zielen darauf ab, den Spin des Schwarzen Lochs erstmals direkt zu messen. Entscheidend dafür wird sein, die Bahn über mehrere Umläufe im nächsten Jahrzehnt weiter zu verfolgen.
Im Zentrum der Milchstraße kreist ein neuer Spitzenreiter so dicht um Sagittarius A*, dass sich die Effekte seines rotierenden Umfelds messbar machen könnten. Der Stern trägt die Bezeichnung S301 und erreicht nach den vorliegenden Angaben Geschwindigkeiten von etwa 25.000 km/s, während er Sagittarius A* mit einer Masse von rund vier Millionen Sonnenmassen umkreist. Besonders bemerkenswert ist nicht nur die Schnelligkeit, sondern der enge Bahnradius: S301 nähert sich dem Schwarzen Loch so stark, dass Astronomen hier erstmals die Rotationsauswirkungen des Objekts direkt in der Sternbewegung erwarten.
Technisch betrachtet liegt der Kern der Idee in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie: Ein rotierendes Schwarzes Loch „zieht“ die Raumzeit mit sich und verändert dadurch die Raumzeit-Geometrie in seiner Umgebung. Für Sterne auf nahen Bahnen bedeutet das, dass sich ihre Umlaufbahnen nicht wie in einem rein newtonschen Gravitationsbild verhalten, sondern zusätzliche relativistische Signaturen zeigen. Nach den Angaben aus der Studie benötigt S301 für seine eng gezogene Umlaufbahn nur 8,7 Jahre. Damit verkürzt sich der Beobachtungszeitraum gegenüber vielen anderen Kandidaten erheblich, weil die Forscher über mehrere komplette Umläufe hinweg eine konsistente Bahnrekonstruktion anstreben können.
Die Relevanz für die Astrophysik ist entsprechend hoch: Die Kollaboration um die neuen Messungen sieht in S301 einen „Schlüssel“ für die direkte Erfassung des Spins von Sagittarius A*. Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching und Gründungsmitglied der Kollaboration, ordnet die Entdeckung als neuen Einblick in „die grundlegenden Eigenschaften der Raumzeit“ ein. Felix Mang betont den Ausnahmecharakter der Umlaufbahn: „Das Besondere an diesem Stern ist, dass er Sagittarius A* auf einer sehr engen Umlaufbahn umkreist, für die er nur 8,7 Jahre benötigt, und sich dem Schwarzen Loch auf eine Entfernung von lediglich dem 12-Fachen der Entfernung zwischen Erde und Sonne nähert. Das ist beispiellos.“ Genau hier wird auch die Messlogik greifbar: Je näher ein Stern an Sagittarius A* vorbeikommt, desto stärker fallen die relativistischen Effekte aus, die dann als Teil der Bahnform und der Dynamik herausgerechnet werden können.
Dass S301 auch praktisch ein Rekordhalter ist, zeigt ein weiterer Zahlenblock: Bei der engsten Annäherung bewegt sich der Stern mit rund 25.000 Kilometern pro Sekunde. Damit liegt er laut den Angaben deutlich über der typischen Geschwindigkeit von Verkehrsflugzeugen und bewegt sich zudem in einem Bereich, der bereits einen signifikanten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit berührt. Die Studie berichtet zudem, dass die Entfernung bei der größten Annäherung bei nur 1,78 Milliarden km liegt – das entspricht etwa dem 12-Fachen der Entfernung Sonne–Erde oder ist laut Anmerkungen etwa 20 % größer als die Strecke Sonne–Saturn. Damit wird S301 zu einem sehr seltenen Kandidaten: Der Stern wird als erster bekannter Stern beschrieben, mit dem sich die Rotation eines Schwarzen Lochs direkt messen lässt.
Der Nachweis dieses „Messfensters“ hängt jedoch an der beobachtungstechnischen Messkette. Das Team nutzt den Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte (ESO) und darin das Instrument GRAVITY, das nach Modernisierungen nun als GRAVITY+ bekannt ist. Der VLTI ist speziell dafür ausgelegt, Licht mehrerer Teleskope so zu koppeln, dass ein virtuelles, hochauflösendes Teleskop entsteht. Laut den vorliegenden Angaben kann GRAVITY das Licht von vier 8-Meter-Teleskopen bündeln und so die räumliche Auflösung gegenüber einem einzelnen Teleskop um den Faktor 15 erhöhen. Paranal gilt dabei als der einzige Ort, an dem diese Art von Interferometrie mit vier 8-Meter-Einheiten gemeinsam umgesetzt werden kann. Frank Eisenhauer fasst das zusammen: „Weltweit ist Paranal der einzige Ort, an dem man diese Art von Beobachtungen durchführen kann, da kein anderes Observatorium der Welt über vier 8-Meter-Teleskope verfügt, die gemeinsam als Interferometer fungieren können.“
Zur Einordnung der Bahn und ihrer Herkunft spielt zudem die Frage eine Rolle, warum ein Stern überhaupt so nahe an Sagittarius A* gelangen kann. Die Studie verweist darauf, dass sich Sterne nicht „so nahe“ an einem massereichen Schwarzen Loch bilden können. Entsprechend deuten die Umlaufeigenschaften von S301 darauf hin, dass der Stern vermutlich aus einem Doppelsternsystem stammt, das durch die Gezeitenkräfte von Sagittarius A* auseinandergerissen wurde. Dabei kam S301 offenbar in den Einflussbereich des Schwarzen Lochs, während ein Begleitstern mit hoher Geschwindigkeit weggeschleudert wurde – höchstwahrscheinlich so stark, dass er die Galaxie verlassen hat. Stefan Gillessen formuliert den Fortschritt für die Messziele: „Zum ersten Mal wären wir tatsächlich in der Lage, den Spin eines massereichen Schwarzen Lochs sehr direkt zu messen, was einen entscheidenden Test für Einsteins Theorie darstellen würde.“ Parallel hebt Juan Osorno hervor, wie stark der neue Kandidat die Beobachtungsstrategie verkürzt: „Ohne diesen Stern müssten wir noch mehrere Jahrzehnte lang die Bewegung anderer Sterne messen, um auch nur annähernd den Spin des Schwarzen Lochs bestimmen zu können.“
Für den nächsten Schritt kommt es nun auf kontinuierliche Präzisionsarbeit an. Laut den Angaben konnten die Forschenden die Umlaufbahn von S301 bis in das Jahr 2017 zurückverfolgen; zuletzt habe er sich Anfang 2023 dem zentralen Schwarzen Loch am nächsten angenähert. Im Frühjahr 2023 gelang mit GRAVITY offenbar ein erster Blick auf den Stern, seitdem wurde er gezielt überwacht, um die Bahn immer enger einzugrenzen. Entscheidend sind außerdem Folgebeobachtungen mit GRAVITY+ sowie mit dem MICADO-Instrument am geplanten Extremely Large Telescope (ELT). Als Zeithorizont wird genannt, dass S301 2031 den nächsten nahen Vorbeiflug absolvieren wird. Die Erwartung: Wenn das Team mindestens zwei vollständige Umlaufbahnen rekonstruiert, lässt sich die Flugbahn so präzise bestimmen, dass die Rotation von Sagittarius A* erstmals direkt ermittelt werden kann. Mang bringt den Anspruch auf den Punkt: „Das wäre ein wahr gewordener Traum.“
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