Am schwarzen Loch vorbeigeschrammt

Das Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte (ESO) hat die bisher tiefsten und schärfsten Bilder der Region um das super­massereiche schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie aufgenommen. Die neuen Bilder zoomen zwanzig mal näher heran, als es vor dem VLTI möglich war, und haben den Astronomen geholfen, einen noch nie zuvor gesehenen Stern in der Nähe des schwarzen Lochs zu entdecken. Indem das Team die Bahnen der Sterne im Zentrum unserer Milchstraße nachverfolgte, hat es die bisher genaueste Messung der Masse des schwarzen Lochs vorgenommen.

„Wir wollen mehr über das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, Sagittarius A*, erfahren: Wie massereich ist es genau? Dreht es sich? Verhalten sich die Sterne in seinem Umfeld genau so, wie wir es aufgrund von Einsteins allgemeiner Relativitäts­theorie erwarten? Der beste Weg, diese Fragen zu beantworten, ist die Beobachtung von Sternen auf Bahnen in der Nähe des super­massereichen schwarzen Lochs. Hier zeigen wir, dass wir das mit einer höheren Präzision als je zuvor erreichen können“, erklärt Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching, Deutschland, der 2020 den Nobelpreis für die Erforschung von Sagittarius A* erhielt. Die neuesten Ergebnisse von Genzel und seinem Team, die ihre drei Jahrzehnte andauernde Untersuchung von Sternen, die das super­massereiche schwarze Loch der Milchstraße umkreisen, erweitern, werden in zwei Artikeln in Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Auf der Suche nach weiteren Sternen in der Nähe des schwarzen Lochs entwickelte das Team der Gravity-Kollaboration eine neue Analyse­technik, mit der sie die bisher tiefsten und schärfsten Bilder unseres galaktischen Zentrums erhalten haben. „Das VLTI bietet uns eine unglaubliche räumliche Auflösung, und mit den neuen Bildern gelangen wir tiefer als je zuvor. Wir sind verblüfft von der Detailgenauigkeit und der Anzahl der Sterne, die um das schwarze Loch herum zu sehen sind“, erklärt Julia Stadler, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, die während ihrer Zeit am MPE die Aufnahmen des Teams leitete. Bemerkenswerter­weise fanden sie einen Stern namens S300, der zuvor noch nie gesehen worden war. Das zeigt, wie leistungsfähig diese Methode ist, wenn es darum geht, sehr lichtschwache Objekte in der Nähe von Sagittarius A* aufzuspüren.

In ihren jüngsten Beobachtungen, die zwischen März und Juli 2021 durchgeführt wurden, konzentrierte sich das Team auf präzise Messungen von Sternen, die sich dem schwarzen Loch nähern. Dazu gehört auch der Rekordhalter-Stern S29, der dem schwarzen Loch Ende Mai 2021 am nächsten kam. Er passierte es in einer Entfernung von nur 13 Milliarden Kilometern, was etwa dem neunzigfachen Abstand zwischen Sonne und Erde entspricht, mit der atemberaubenden Geschwindigkeit von 8740 Kilometern pro Sekunde. Bisher wurde kein anderer Stern beobachtet, der so nahe am schwarzen Loch vorbei­gezogen ist oder so schnell um dieses herum zog.

Die Messungen und Bilder des Teams wurden durch Gravity ermöglicht, ein einzigartiges Instrument, das die Kollaboration für das VLTI der ESO in Chile entwickelt hat. Gravity kombiniert das Licht aller vier 8,2-Meter-Teleskope des Very Large Telescope (VLT) der ESO mit einer Technik namens Inter­ferometrie. Diese Technik ist komplex, „aber am Ende erhält man Bilder, die zwanzig Mal schärfer sind als die der einzelnen VLT-Teleskope und die die Geheimnisse des galaktischen Zentrums preisgeben“, sagt Frank Eisenhauer vom MPE, der Leiter von GRAVITY.

„Indem wir Sterne auf engen Umlauf­bahnen um Sagittarius A* nachverfolgen, können wir das Gravitations­feld um das der Erde am nächsten gelegene massereiche schwarze Loch genau untersuchen, die Allgemeine Relativitäts­theorie testen und die Eigenschaften des schwarzen Lochs bestimmen“, erklärt Genzel. Die neuen Beobachtungen in Verbindung mit den früheren Daten des Teams bestätigen, dass die Sterne genau den Bahnen folgen, die die Allgemeine Relativitäts­theorie für Objekte vorhersagt, die sich um ein schwarzes Loch mit der 4,3-millionenfachen Masse der Sonne bewegen. Dies ist die bisher genaueste Schätzung der Masse des zentralen schwarzen Lochs in der Milchstraße. Den Forschern gelang es auch, die Entfernung zu Sagittarius A* auf 27.000 Lichtjahre zu präzisieren.

Um die neuen Bilder zu erhalten, verwendeten die Astronomen eine Technik des maschinellen Lernens, die Informations­feldtheorie. Sie erstellten ein Modell, wie die realen Quellen aussehen könnten, simulierten, wie Gravity sie sehen würde, und verglichen diese Simulation mit Gravity-Beobachtungen. Auf diese Weise konnten sie Sterne in der Umgebung von Sagittarius A* mit einer beispiellosen Tiefe und Genauigkeit finden und verfolgen. Zusätzlich zu den Gravity-Beobachtungen verwendete das Team auch Daten von Naco und Sinfoni, zwei ehemaligen VLT-Instrumenten, sowie Messungen des Keck-Observatoriums und des Gemini-Observatoriums von NOIRLab in den USA.

Gravity wird im Laufe dieses Jahrzehnts zu Gravity+ weiterentwickelt, das ebenfalls auf dem VLTI der ESO installiert wird. Es wird die Empfindlichkeit weiter erhöhen, um schwächere Sterne noch näher am schwarzen Loch zu entdecken. Das Ziel des Teams ist es, Sterne zu finden, die so nahe sind, dass ihre Umlaufbahnen die durch die Rotation des schwarzen Lochs verursachten Gravitations­wirkungen spüren würden. Das kommende Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das derzeit in der chilenischen Atacama-Wüste gebaut wird, wird es dem Team außerdem ermöglichen, die Geschwindigkeit dieser Sterne mit sehr hoher Präzision zu messen. „Mit den vereinten Kräften von Gravity+ und dem ELT werden wir erfahren können, wie schnell sich das schwarze Loch dreht“, sagt Eisenhauer. „Das hat bisher noch niemand geschafft.“

MPIA / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  R. Arbuter et al.: The mass distribution in the Galactic Centre from interferometric astrometry of multiple stellar orbits, Astron. Astrophys., online 14. Dezember 2021; DOI: 10.1051/0004-6361/202142465
  R. Arbuter et al.: Deep images of the Galactic Center with Gravity, Astron. Astrophys., online 14. Dezember 2021; DOI: 10.1051/0004-6361/202142459
• Gravity-Instrument am Very Large Telescope, Europäische Südsternwarte