Astronomie 25.05.2020, 11:15 Uhr

Sternentanz um zentrales Schwarzes Loch: Ingenieure leisten Bahnbrechendes

Forscher unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik haben erstmals die so genannte Schwarzschild-Präzession bei einem Stern nachgewiesen, der ein Schwarzes Loch umkreist. Dazu trägt das Gravity-Instrument, entwickelt von Ingenieuren, entscheidend bei. INGENIEUR.de hat mit Stefan Gillessen vom Institut gesprochen.

Künstlerische Darstellung der Schwarzschild-Präzession

Künstlerische Darstellung der Schwarzschild-Präzession.

Foto: ESO/L. Calçada

Der Nachweis gelang für die Umlaufbahn eines Sterns um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Mit dieser Untersuchung liegt ein weiterer Beleg der Allgemeinen Relativitätstheorie vor. Einsteins Theorie von Raum, Zeit und Gravitation hat also einen weiteren Test erfolgreich bestanden. Die Prognose, was mit der Umlaufbahn eines Sterns geschehen sollte, wenn dieser nahe an einem Schwarzen Loch vorbeizieht, hat sich als korrekt erwiesen.

Gravity: Meilenstein in der beobachtenden Astronomie

Die Messungen der Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie stellen einen Meilenstein der beobachtenden Astronomie dar. Mit dem Instrument “Gravity”, das am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte ESO installiert ist, messen sie die Welleneigenschaften des Lichts, um Unterschiede zwischen zwei Sternpositionen mit einer Genauigkeit von bis zu 30 Millionstel Bogensekunden zu analysieren. Gravity wäre in der Lage zwei Glühwürmchen voneinander zu unterscheiden, die im Abstand von sechs Zentimeter auf dem Mond sitzen. Diese Präzision war entscheidend für den Nachweis des allgemein-relativistischen Effekts, der sogenannten Schwarzschild-Präzession, anhand der Umlaufbahn des Sterns S2 um das galaktische Zentrum. S2 ist ein Stern im Zentrum der Galaxie. Er befindet sich in einer Umlaufbahn um die Radioquelle Sagittarius A* und umläuft diese einmal in 16,05 Jahren.

Fact Figure: Insgesamt wurden 193 Beobachtungen genutzt, welche die Bahn von S2 seit 2001 verfolgt. 75 direkte Beobachtungen beziehen sich auf die Entfernungen zwischen S2 und dem Schwarzen Loch.

Zentrales Schwarze Loch hinter Wolken aus Gas und Staub verborgen

Von unserer Warte aus ist das zentrale Schwarze Loch unserer Heimatgalaxie hinter Wolken aus Gas und Staub verborgen – und zwar 2.700 Lichtjahre entfernt. Aufgrund des Staubes kann es nicht im sichtbaren Licht beobachtet werden, sondern nur bei längeren Wellenlängen, die den Staub weitgehend ungestört durchdringen.

Frühe 2000er zeigten Bewegung von Sternen in Nähe des Schwarzen Lochs

In den frühen 2000er Jahren zeigten erste Infrarotbeobachtungen einer Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik die Bewegung von Sternen in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs. Der Einfluss der starken Schwerkraft des Schwarzen Lochs wurde deutlich. Seitdem verfolgen die Forscher die Bahnen von mehr als einem Dutzend Sternen. Der “S2” genannte Stern kann dabei besonders gut untersucht werden. Seine Umlaufbahn verläuft nämlich sehr nah am Schwarzen Loch. Die Beobachtung von S2 ist ein Test, um die relativistischen Effekte des zentralen Schwarzen Lochs auf Objekte in seiner Umgebung zu verfolgen.

Umlaufbahnen von Sternen um das Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße

Umlaufbahnen von Sternen um das Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße.

Foto: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Wie setzt sich die Umlaufdauer eines Objekts, das eine zentrale Masse umkreist, zusammen? Das hängt von der Entfernung des Objekts zur Masse und vom Wert der Masse selbst ab. Spätere Beobachtungen der Gruppe des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik erlaubten ihnen Rückschlüsse aus den Umlaufbahnen der Sterne auf die Masse des zentralen Schwarzen Lochs zu schließen. Der beste moderne Wert liegt bei etwa vier Millionen Sonnenmassen.

Die Sonne definiert hier, wie der Name schon vermuten lässt, den Wert. Die Sonnenmasse, kurz M☉, ist eine astronomische Maßeinheit. Die Einheit wird verwendet, um die Masse astronomischer Objekte anzugeben, die massereicher als Planeten sind. Darunter fallen zum Beispiel Sterne.

Einstein sagte Effekte voraus

+++Die besten Zitate und Weisheiten von Albert Einstein+++

“Was wir gemessen haben, ist von der Physik her sehr simpel. Wenn Newton diese Bahn gesehen hätte, hätte er sich auch gewundert. Er hätte es vielleicht nicht verstanden. Aber wer es verstanden hätte, wäre Einstein gewesen. Die Schwierigkeit lag darin, dass weder Newton noch Einstein ein Teleskop hatten von der Güte, wie wir es heute haben”, erklärt Stefan Gillessen, beteiligt am Projekt und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut.

Umkreist ein Stern das Schwarze Loch, kommen gleich mehrere Effekte ins Spiel, die Einstein in seiner Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt hat. Der erste Effekt betrifft die Zeit, denn diese vergeht langsamer. Sowohl aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Sterns als auch aufgrund seiner Nähe zum Schwarzen Loch stellt ein Beobachter auf der Erde fest, dass die Zeit auf dem Stern langsamer vergeht. Dieser Effekt nennt sich Zeitdilatation. Der zweite Effekt betrifft die Form der Umlaufbahn. Hier greift Keplers erstes Gesetz aus dem frühen 17. Jahrhundert. In der klassischen Mechanik bewegt sich ein Objekt, das eine Masse umkreist, auf einer elliptischen Umlaufbahn. Die Masse befindet sich in einem der Brennpunkte. Die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein weicht von diesem Gesetz etwas ab. Auf einer elliptischen Umlaufbahn gibt es einen Punkt namens Periapsis, an dem das umkreisende Objekt der anziehenden Masse am nächsten ist. Auf einer rein elliptischen Umlaufbahn befindet sich die Periapsis immer am gleichen Ort. Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt dagegen voraus, dass die Bahnellipse als Ganzes im Laufe der Zeit rotieren sollte. Damit rückt die Periapsis entlang jeder abgeschlossenen Umlaufbahn ein wenig weiter vor. Daraus ergibt sich eine Bahn in Form einer Rosette. Ein wichtiger Teil dieses Effekts ist, dass der Raum rund um die zentrale Masse gekrümmt ist. Die Beschreibung des Gravitationseinflusses von kugelförmigen Körpern in der allgemeinen Relativitätstheorie beruht auf der so genannten Schwarzschild-Lösung. Der Vorrück-Effekt nennt sich daher auch Schwarzschild-Präzession. Dieser Effekt wurde in unserem Sonnensystem bereits nachgewiesen, doch bislang nicht für die Bewegung eines Sterns um ein supermassereiches Schwarzes Loch. „Dieser berühmte Effekt, erstmals bei der Umlaufbahn des Planeten Merkur um die Sonne beobachtet, war der erste Beweis für die Allgemeine Relativitätstheorie. Hundert Jahre später haben wir nun denselben Effekt bei der Bewegung eines Sterns entdeckt, der die kompakte Radioquelle Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße umkreist“, sagt Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching.

Sagittarius A* und das Sternbild des Schützen

Sagittarius A* und das Sternbild des Schützen.

Foto: ESO, IAU and Sky & Telescope

Bessere Technik brachte den Erfolg

„Durch die bessere Technik haben wir einfach die Nase vorn. Denn schlaue Ideen sind schnell einmal um die Welt gewandert. Doch mit besserer Technik “bewaffnet” zu sein, macht den Unterschied“, so Gillessen. Ganze zehn Jahre wurde an diesem Projekt geforscht.

“Dabei haben wir eine Idee verwendet, die eigentlich schon recht alt ist – und zwar, dass sich Teleskope zusammenschalten lassen. Das nennt sich dann Interferometer. Dabei werden die Teleskope extrem leistungsstark – so als ob ein Teleskop vorläge, dass so groß ist wie der Abstand der Teleskope zueinander. Das ist der Vorsprung der Technik bei unserem Projekt gewesen. Solide Ingenieurarbeit kann man sagen.”

Dieser Aspekt wird oft vernachlässigt, führt er weiter aus. Denn nicht nur die Forscher haben etwas Geniales entdeckt, sondern die Ingenieure dahinter leisten enorm viel Arbeit.

„Unser Team besteht aus circa 40 Personen. Promovierte Wissenschaftler und Doktoranden sind natürlich dabei. Doch 50 % unseres Teams bestehen aus Ingenieuren, die hier bei dem Projekt auch dabei waren. Die Ingenieure kommen aus ganz Europa; in Deutschland zum Beispiel aus Garching, Köln und Heidelberg.“ Gar nicht so leicht, alle Ingenieure unter einen Hut zu bekommen: „Hier wurde ein Memorandum of Understanding ausgearbeitet. So konnte man sich einigen, wie man in den folgenden Jahren miteinander arbeitet.“

Wechselwirkung zwischen Physikern, Astronomen und Ingenieuren

Der Großteil des Erfolges beruhe darauf, dass die Physiker und Astronomen stets gemeinsam mit den Ingenieure gearbeitet haben. So konnten sich Ideen gegenseitig beflügeln. Der laufende Austausch fand jede Woche statt, so der Wissenschaftler aus Bayern. „Ein Physiker war bei diesen Meetings auch dabei, wenn es um das korrekte Verlegen des Kabels ging. Die Aufgabe lautete stets: Wir wollen was am Schwarzen Loch vermessen. Das gegenseitige Verständnis zwischen Physikern und Ingenieuren war so immer gegeben.“

Gravity Interferometer ist eine technische Meisterleistung

Hinter Gravity verbirgt sich das Interferometer. Das Gerät kombiniert das Licht der vier Teleskope. „Wenn vier Teleskope vorliegen, gibt es sechs Kombinationen. Man kann die 1 mit der 2 verheiraten, die 1 mit der 3 und die 1 mit der 4 usw. Es gibt sechsmal eine Interferenz und die Vermessung dieser Interferenz erlaubt es, dass die astronomischen Quellen am Himmel erkennbar werden.“ Der Zusammenhang sei dabei furchtbar simpel, sagt er. Das Interferometer misst die vorher transformierte Helligkeitsverteilung. „Das misst man an sechs Punkten. Wenn sich die Erde langsam dreht, dann ändert sich auch die Geomoetrie des Teleskops gegenüber dem Himmel. Dort misst man dann weitere Punkte und die Informationen werden immer mehr.“

Zwei Interferometer im Einsatz

Die wahre Meisterleistung bestünde darin, dass sogar zwei Interferometer im Einsatz waren. „Das Erste schaut sich einen hellen Stern an, der in der Nähe steht und versucht aus diesem Stern das Interferenzmuster stabil zu halten. Das gleicht die Luftunruhe aus. In der Nachbarschaft des Sterns ist dann der Himmel ruhig. Nebendran können dann viel länger Aufnahmen gemacht werden. Der Schlüssel bei astronomischen Beobachtungen ist, dass circa eine Minute die Blende offen gelassen werden kann, um Aufnahmen zu erhalten.“

Gravity hat das nun in einer noch nicht dagewesenen Weise vollbracht. „Vorher wurde das natürlich auch schon versucht, aber es ging nicht über Testphasen hinaus. Interessante Objekte, die nicht nur mit dem bloßen Auge sichtbar sind, werden so erforschbar. Die Optimierung dieser Geräte liegt in der Hand der Ingenieure“, erläutert Gillessen.

Dass Ingenieure zunehmend in der Erforschung des Weltalls arbeiten wollen, kann er aber nicht bestätigen.

“Ich würde sagen, dass es schon schwer ist, Ingenieure zu finden. Wir sind hier im Münchener Raum und von großen Konzernen umgeben, die mit attraktiven Angeboten locken.”

Wer auf das große Geld aus ist, soll lieber zu großen Konzernen gehen, sagt er unumwunden. „Bei uns ist es so, dass wir alles Unikate bauen und wenn es zwei Monate länger dauert, dann machen wir das, wenn es der Effizienzsteigerung und Qualität dient. Das ist eine ganz andere Denke als in der Industrie.“

“Dass so viele Bananenprodukte auf den Markt kommen, liegt ja nicht daran, dass die Ingenieure schlecht arbeiten, sondern dass oftmals keine Zeit da ist, um Produkte auszureifen. Wer noch Lust auf Abenteuer und Spaß an der Technik hat, ist bei uns richtig. Wissenschaftler zeichnet die Leidenschaft für ihren Beruf aus.”

Schwarze Loch mit bloßem Auge sichtbar: Stimmt das so?

Das Schwarze Loch umkreist einen Stern, den man mit bloßem Auge sehen kann. So oder so ähnlich las man es oft. „Die Meldung ist hier natürlich etwas verkürzt dargestellt worden. Das Schwarze Loch selbst kann man nicht sehen. Die Messungen haben gezeigt, dass das Schwarze Loch an dem Stern so stark rüttelt, dass es nichts anderes sein kann. Die konservativste Erklärung dafür ist zumindest, dass es ein Schwarzes Loch ist. Der Fall ist gut und die Daten auf jeden Fall valide. Es heißt aber nicht, dass Menschen das Schwarze Loch mit bloßem Auge sehen können.“

Alle Informationen zu dieser astronomischen Forschung, finden Sie hier.

Zum Vergleich: Wie groß soll dieses neu entdeckte Schwarze Loch sein? Das ist ungefähr 1.000 Lichtjahre entfernt und hat nur ein paar Sonnenmassen. Das Zentrum der Milchstraße ist hingegen 26.000 Lichtjahre entfernt, wiegt aber vier Millionen Mal so viel. Das macht es zum größten Schwarzen Loch am Himmel.

“Sie können sich die Größe des Schwarzen Lochs ungefähr so vorstellen wie eine Münze auf dem Mond erscheinen würde. Mit Gravity könnte die linke und rechte Seite dieser Münze unterschieden werden. Man kann die Münze zwar nicht als reines Geldstück sehen, aber man könnte unterscheiden, ob sie links leuchtet oder rechts leuchtet”, sagt Gillessen gegenüber INGENIEUR.de

Oder anders vorgestellt, wenn ein Fußballspiel auf dem Mond wäre und man entscheiden müsste, ob der Ball hinter der Linie war, dann könnte man den Videobeweis von der Erde aus führen – und zwar mit Gravity.

Zu Starlink hat der Wissenschaftler auch eine Meinung. „So schlimm ist es nicht und es behindert auch nicht so sehr die astronomischen Forschungen, da sich die Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn befinden.“ Aber es gibt schon Forschungsfelder, bei denen Starlink stören würde, zum Beispiel bei der Beobachtung von größeren Himmelsfeldern. „Wenn da ein Satellit durchzieht, ist die Aufnahme ruiniert.“ „In dem Bereich, wo wir hinschauen, ist die Chance oder Gefahr, dass dort ein Starlink Satellit durchfliegt eher unwahrscheinlich. Ich finde es persönlich allerdings auch ein Unding, dass man sowas so einfach darf.“

Warum die Starlink Satelliten zu einer Katastrophe führen könnten, lesen Sie auch hier.

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