Naher Vorbeiflug von Stern am Milchstraßen-Zentrum bestätigt Gravitations-Rotverschiebung Einstein-Test am Schwarzen Loch - scinexx | Das Wissensmagazin
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Naher Vorbeiflug von Stern am Milchstraßen-Zentrum bestätigt Gravitations-Rotverschiebung

Einstein-Test am Schwarzen Loch

Stern S2 bei der nahen Passage am Schwarzen Loch Sagittarius A* - dieses seltene Ereignis hat einen Test von Einsteins Gravitations-Rotverschiebung ermöglicht. © ESO/ M. Kornmesser

Darauf haben Astronomen jahrelang gewartet: Der nahe Vorbeiflug eines Sterns am Milchstraßen-Zentrum hat Einsteins Relativitätstheorie auf eine entscheidende Probe gestellt. Denn die Forscher konnten erstmals genau messen, ob die Schwerkraft des Schwarzen Lochs Sagittarius A* das Licht des Sterns so dehnt wie vorhergesagt. Das Ergebnis: Einsteins Gravitations-Rotverschiebung bleibt gültig.

Die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein hat bisher alle Tests mit Bravour bestanden – ob beim Äquivalenzprinzip, der Zeitdehnung, der großräumigen Raumkrümmung oder der lokalen Positionsinvarianz. Doch auf einen Test warten Astronomen schon seit gut 15 Jahren: den der Gravitations-Rotverschiebung in unserer eigenen Galaxie. Einsteins Theorie nach dehnt eine große Schwerkraft die Wellenlänge des Lichts – und das müsste auch bei Sternen in der Nähe des Schwarzen Lochs im Milchstraßen-Zentrum messbar sein.

Naher Vorbeiflug

Die perfekte Chance, dies zu überprüfen, hat nun der Stern S2 den Astronomen geboten. Denn er ist im Mai 2018 dem Schwarzen Loch Sagittarius A*, besonders nahe gekommen. Bei seiner nächsten Annäherung trennten den Stern nur rund 14 Milliarden Kilometer von diesem Schwerkraftgiganten – das entspricht dem dreifachen Abstand des Planeten Neptun von der Sonne.

In diesem geringen Abstand ist die Gravitation des Schwarzen Lochs so stark, dass sie den Stern enorm beschleunigt – sein Licht aber dehnen müsste. Liegt Einstein richtig, dann müsste das Licht von S2 um einen bestimmten Betrag in den roten Wellenbereich verschoben werden. Um das zu messen, haben die Forscher der GRAVITY-Kollaboration das Ereignis mit gleich mehreren Instrumenten des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile verfolgt.

Dieser Zeitraffer zeigt mit Bildern des GRAVITY-Instruments den nahen Vorbeiflug von S2 am Schwarzen Loch im Mai 2018.© European Southern Observatory (ESO)

Einstein bestätigt

Der Test gelang: Die Astronomen konnten die Positionen des Sterns, seine Geschwindigkeit und das von ihm ausgesandte Licht mit bisher unerreichter Präzision bestimmen. Sogar das schwache Glühen rund um das schwarze Loch war auf vielen Aufnahmen zu erkennen. „Damit konnten wir den Stern auf seiner Umlaufbahn extrem genau verfolgen und schließlich die gravitative Rotverschiebung im Spektrum von S2 nachweisen“, berichtet Frank Eisenhauer vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching.

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Wie sich zeigte, wurde S2 bei seinem Vorbeiflug am Schwarzen Loch auf knapp 8.000 Kilometer pro Sekunde beschleunigt – dies entspricht fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Parallel dazu jedoch dehnte die gewaltige Schwerkraft von Sagittarius‘ vier Millionen Sonnenmassen das Licht des Sterns. „Wir haben für die Kombination von Gravitations-Rotverschiebung und relativistischen Doppler-Effekt bei S2 einen Wert von 200 km/s/c gemessen“, berichten die Forscher.

Dieser Wert stimmt den Astronomen zufolge ziemlich genau mit der Vorhersage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie überein. Mehr als 100 Jahre nach Einsteins Vorhersage erweist sie sich damit erneut als richtig.

Kosmischer Bienenschwarm: Die Simulation zeigt die Sternenbahnen nahe Sagittarius A* © ESO/ L. Calçada/ spaceengine.org

Stern bleibt weiter Testobjekt

Doch den Stern S2 bleibt behalten die Astronomen weiter im Visier ihrer Optiken. Denn sein Verhalten könnte noch einen weiteren relativistischen Effekt bestätigen: die sogenannte Schwarzschild-Präzession. Durch sie verformt die Schwerkraft der Sonne beispielsweise die Bahn des Merkur, so dass sich die Lage seiner sonnennächsten Bahnpunkte Laufe der Zeit verschiebt. Diese Perihel-Drehung des Merkur kannte schon Einstein.

„Einen derartigen Effekt sollten wir auch bei den Bahnen von Sternen beobachten, die sich um das zentrale schwarze Loch der Milchstraße bewegen“, erklärt Reinhard Genzel, Direktor am MPI für extraterrestrische Physik. „Tatsächlich sehen wir schon erste Anzeichen dafür. In zwei Jahren müssten wir dann statistisch signifikante Messungen haben.“ (Astronomy & Astrophysics, 2018; doi: 10.1051/0004-6361/201833718)

(Max-Planck-Gesellschaft, 27.07.2018 – NPO)

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