S301 kommt dem Schwarzen Loch im galaktischen Zentrum näher als jeder andere Stern – und spürt dessen Rotation
Der Stern S301 stellt einen neuen Rekord auf: Mit 25.000 Kilometern pro Sekunde – das entspricht immerhin acht Prozent der Lichtgeschwindigkeit – ist er der bislang schnellste Stern in der Milchstraße. Das zeigen Beobachtungen eines internationalen Forschungsteams mit dem Very Large Telescope Interferometer VLBI der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile. Auf seiner stark elliptischen Umlaufbahn kommt S301 dem supermassereichen Schwarzen Loch im galaktischen Zentrum näher als jeder andere Stern. Schon in wenigen Jahren könnte es deshalb gelingen, anhand der Bahn von S301 erstmalig die Rotation eines Schwarzen Lochs direkt zu messen, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.
Wie nahezu jede Galaxie beherbergt auch die Milchstraße in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch. Bereits seit Anfang der 1990er Jahre beobachten Astronomen Sterne, die dieses als Sagittarius A* bezeichnete Schwarze Loch umkreisen. Inzwischen sind etwa 40 solcher S-Sterne bekannt. Aus der genauen Vermessung ihrer Umlaufbahnen konnten die Himmelsforscher die Masse des Schwarzen Lochs mit einer Genauigkeit von besser als einem Prozent zu 4,3 Millionen Sonnenmassen bestimmen.
Im Frühjahr 2023 stieß ein Team um Stefan Gillessen vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik MPE auf ein weiteres schwaches Lichtpünktchen nahe Sagittarius A*. Weitere Beobachtungen bestätigten rasch die Vermutung, dass auch das als S301 katalogisierte Objekt ein Stern auf einer Umlaufbahn um das Schwarze Loch ist. Inzwischen liegen 19 präzise Positionsmessungen vor, die eine genaue Berechnung der Umlaufbahn von S301 möglich machen.
„Das Besondere an diesem Stern ist seine sehr enge Umlaufbahn um Sagittarius A*: Er benötigt lediglich 8,7 Jahre für einen Umlauf und nähert sich dem Schwarzen Loch bis auf das Zwölffache der Distanz zwischen Erde und Sonne“, erläutert der an den Beobachtungen beteiligte Astrophysiker Felix Mang vom MPE. „Da er Sagittarius A* so nahe kommt, eröffnet S301 ein neues Fenster zu den fundamentalen Eigenschaften der Raumzeit in dieser extremen Umgebung eines Schwarzen Lochs“, ergänzt MPE-Direktor Reinhard Genzel. Genzel ist Gründungsmitglied des Teams, das die neuen Beobachtungen durchgeführt hat.
Wie Sterne und Planeten drehen sich auch Schwarze Löcher um ihre eigene Achse. Sowohl der Nachweis als auch die Messung dieser Rotation – von den Astronomen als Spin bezeichnet – ist jedoch schwierig. Daher gibt es bislang nur indirekte Hinweise auf die Drehung Schwarzer Löcher. Der Stern S301 könnte jedoch schon innerhalb weniger Jahre erstmals eine direkte Messung des Spins eines Schwarzen Lochs ermöglichen.
Denn wenn die gewaltige Masse eines großen Schwarzen Lochs rotiert, zieht sie dabei den Raum um sich herum wie eine zähe Flüssigkeit mit. Und auch Objekte, die sich im Weltraum in unmittelbarer Nähe zum Schwarzen Loch befinden, werden dabei mitgerissen. So auch S301, wenn er sich auf seinem Orbit dem Schwarzen Loch extrem nähert: Seine Umlaufbahn wird nicht länger allein durch die Masse bestimmt, sondern verdreht sich abhängig davon, wie schnell das Schwarze Loch rotiert. Daraus, wie stark das Schwarze Loch die Umlaufbahn von S301 mitzieht, können die Forscher dann berechnen, wie schnell sich Sagittarius A* dreht.
Wie das Team um Mang und Genzel betont, ist das Very Large Telescope Interferometer weltweit das einzige Instrument, mit dem derart genaue Beobachtungen möglich sind. Das VLTI kombiniert das von vier jeweils acht Meter großen Spiegelteleskopen empfangene Licht und erreicht so die Auflösung eines Fernrohrs mit einem 200 Meter großen Spiegel. Zur nächsten Annäherung von S301 an das Schwarze Loch kommt es 2031. Vielleicht gelingt es schon dann, die Rotation von Sagittarius A* zu messen. „Das wäre die Erfüllung eines Traums“, so Mang.
Bildquelle: ESO/GRAVITY collaboration
