Ganz nah am schwarzen Loch

Astronomen beobachten die unmittelbare Umgebung des galaktischen Massemonsters

31. Oktober 2018

Einem Team von Forschern – unter anderem aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching – sind erstaunliche Einblicke in das galaktische Zentrum gelungen: Die Astronomen beobachteten Gaswolken, die mit einem Tempo von etwa 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit um das vermeintliche schwarze Loch im Herzen der Milchstraße herumwirbeln. Das Gas bewegte sich dabei auf einem kreisförmigen Orbit außerhalb der innersten stabilen Umlaufbahn und offenbarte sich durch Strahlungsausbrüche im Infrarotbereich. Gelungen ist diese Entdeckung mit dem Instrument Gravity, welches das Licht aller vier Acht-Meter-Spiegel des Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte (ESO) vereint. Dank dieser Interferometrie genannten Technik erzeugt Gravity die Leistung eines virtuellen Fernrohrs mit einem effektiven Durchmesser von 130 Metern.

<p>Turbulente Schwerkraftfalle: Diese Visualisierung basiert auf Simulationen der Bahnbewegung von Gas, das mit etwa 30 Prozent der Lichtgeschwindigke Bild vergrößern

Turbulente Schwerkraftfalle: Diese Visualisierung basiert auf Simulationen der Bahnbewegung von Gas, das mit etwa 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit auf einer kreisförmigen Umlaufbahn um das schwarze Loch im galaktischen Zentrum herumwirbelt.

Inmitten der Milchstraße sitzt ein außergewöhnlich kompaktes Objekt, das Radiostrahlung abgibt und von den Astronomen Sagittarius A* genannt wird. Mit hoher Wahrscheinlichkeit verbirgt sich dahinter ein schwarzes Loch mit ungefähr vier Millionen Sonnenmassen. Doch sicher ist das nicht, und so denken sich die Wissenschaftler stets neue Tests für ihre These aus. Mit dem Instrument Gravity haben die Forscher nun gleichsam den Rand des vermeintlichen schwarzen Lochs ins Visier genommen.

Der Theorie nach müssten die Elektronen des Gases, das sich diesem Ereignishorizont nähert, beschleunigt werden und dadurch die Helligkeit zunehmen. In der nur wenige Lichtstunden kleinen Region um das schwarze Loch herrschen chaotische Verhältnisse ähnlich wie in irdischen Gewittern oder Strahlungsausbrüchen auf der Sonne. Dabei spielen auch noch starke Magnetfelder eine Rolle, denn das Gas ist elektrisch leitend, also ein Plasma. Dieses sollte sich schließlich als flackernder „heißer Fleck“ zeigen, der das schwarze Loch auf der letzten stabilen Bahn umkreist.

Tatsächlich registrierten die Astronomen solche Strahlungsausbrüche aus der sogenannten Akkretionsscheibe – einem Ring aus Gas mit einem Durchmesser von nur etwa zehn Lichtminuten, der sich mit extrem hoher Geschwindigkeit um das galaktische Zentrum dreht. Die Materie kann dabei gefahrlos kreisen, solange sie dem schwarzen Loch nicht zu nahe kommt; Materie innerhalb des Ereignishorizonts gelingt es aber nicht mehr, der enormen Schwerkraft zu entfliehen. Die jetzt beobachteten Strahlungsausbrüche (Flares) stammen von Materie, die sich in einem Orbit nahe dieses Ereignishorizonts befindet.

<p>Theorie und Praxis: Die Darstellung aus der Originalveröffentlichung zeigt einen Vergleich der Daten mit der Realisierung eines einfachen Gaswolken Bild vergrößern

Theorie und Praxis: Die Darstellung aus der Originalveröffentlichung zeigt einen Vergleich der Daten mit der Realisierung eines einfachen Gaswolken-Modells, das verschiedene Effekte der allgemeinen und speziellen Relativitätstheorie berücksichtigt. Die durchgezogene blaue Kurve zeigt einen „heißen Fleck“ auf einer kreisförmigen Umlaufbahn knapp außerhalb des Ereignishorizonts eines schwarzen Lochs mit rund vier Millionen Sonnenmassen.

„Wir sahen gleich drei solcher Flares. Alle hatten sie dieselben Bahnradien und dieselben Umlaufperioden“, sagt Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching und Leiter der Studie. Die Bewegung dieser drei heißen Flecken im galaktischen Zentrum lässt sich durch ein einfaches Orbitmodell erklären, dessen Radius drei- bis fünfmal größer ist als jener des Ereignishorizonts. Zudem bestätigen die Messungen exakt die theoretischen Vorhersagen für Gas, das nahe der innersten stabilen Umlaufbahn kreist.

„Nimmt man all unsere Beobachtungen zusammen, dann haben wir einen deutlichen Beleg dafür, dass sich hier tatsächlich Materie auf einer Umlaufbahn nahe dem Ereignishorizont eines schwarzen Lochs mit vier Millionen Sonnenmassen befindet,” sagt Jason Dexter vom Garchinger Max-Planck-Institut, einer der Hauptautoren des in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienenen Aufsatzes. Und Dexters Kollege Oliver Pfuhl ergänzt: „Gravity und seine enorme Empfindlichkeit erlaubten es uns, die Akkretionsprozesse in Echtzeit zu beobachten – und zwar mit nie dagewesener Detailschärfe.“

Die sehr hohe Winkelauflösung und Messgenauigkeit von Gravity sowie die Präzisionsspektroskopie mit der Integralfeldkamera Sinfoni am Very Large Telescope hatten es demselben Team bereits Anfang des Jahres erlaubt, den Vorbeiflug des Sterns S2 nahe am galaktischen schwarzen Loch zu messen. Dabei zeigte sich eine Gravitations-Rotverschiebung, wie sie von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird.

„Diese Beobachtungen waren für uns schon immer ein Traum. Aber wir wagten nicht zu hoffen, dass sie tatsächlich so schnell Realität werden würden – mit so eindeutigen Ergebnissen“, sagt Reinhard Genzel. Steckt also hinter Sagittarius A* tatsächlich ein supermassereiches schwarzes Loch? „Unser Ergebnis jedenfalls ist eine überwältigende Bestätigung dieser Annahme.“

HAE / HOR

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