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Astronomie+Physik

Einstein behält (wieder) Recht

Orbit-Präzession
Die Umlaufbahnen des Sterns S2 um das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße gleichen einer Rosette. (Bild: ESO/L. Calçada)

Die Allgemeine Relativitätstheorie bildet die Grundlage unseres physikalischen Weltbilds. Jetzt hat sie erneut einen Test ihrer Gültigkeit bestanden. Denn Astronomen haben beobachtet, dass die Schwerkraft des Schwarzen Lochs im Milchstraßenzentrum die Umlaufbahn eines nahen Sterns im Laufe der Zeit verlagert. Er zeichnet dadurch eine Art Rosette in den Himmel. Diese sogenannte Schwarzschild-Präzession durch die Raumkrümmung eines Schwarzen Lochs hatte schon Einstein vorhergesagt – und nun, gut 100 Jahre später, haben Forscher dies bewiesen. Das von ihnen beobachtete Ausmaß der Orbitverlagerung entspricht dem, was die Allgemeine Relativitätstheorie für diesen Fall vorhersagt.

Nach der klassische Himmelsmechanik von Johannes Kepler folgen Planeten auf ihren Bahnen um Sterne oder auch Monde beim Umkreisen von Planeten einer immergleichen Ellipse. Dabei bleibt auch die Periapsis – der dem schwereren Objekt nächstliegende Punkt der Bahn, immer an der gleichen Stelle. Doch schon zu Albert Einsteins Zeiten belegten Beobachtungen des Planeten Merkur, dass dies nicht stimmen kann: Sein sonnennächster Punkt und auch die gesamte Ellipse seiner Umlaufbahn verlagern sich im Laufe der Zeit. Dadurch ähneln die Umläufe des Merkur langfristig betrachtet einer Rosette. Während Keplers Mechanik dieses Verhalten nicht erklären konnte, passte es perfekt zu den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein. Nach dieser wird diese sogenannte Periheldrehung des Merkur durch die von der Sonne verursachte Krümmung der Raumzeit hervorgerufen. „Dieser berühmte Effekt war der erste Beleg für die Gültigkeit der Allgemeine Relativitätstheorie“, erklärt Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching.

Blick ins Milchstraßenzentrum

Doch wenn Einsteins Theorie stimmt, dann müsste der gleiche Effekt auch im Umfeld eines Schwarzen Lochs auftreten. Die Raumkrümmung seiner enormen Schwerkraft müsste die Bahnen naher Sterne ebenfalls rosettenförmig verschieben. Ob es diese sogenannte Schwarzschild-Präzession gibt, konnten nun Astronomen der GRAVITY-Kollaboration erstmals überprüfen. Möglich wurde dies, weil im Zentrum der Milchstraße ein Stern, S2, relativ nahe am supermassereichen Schwarzen Loch Sagittarius A* kreist. Während seines 16 Jahre dauernden Umlaufs kommt er dem Schwarzen Loch bis auf knapp 20 Milliarden Kilometer nahe – sein Abstand während dieser Periapsen entspricht damit nur rund 17 Lichtstunden. Wenn Einsteins Theorie stimmt, müsste sich die Position dieser Periapsen und die Lage der Orbits von S2 von Umlauf zu Umlauf leicht verschieben.

Um dies zu überprüfen, haben die Astronomen der GRAVITY-Kollaboration nun die fast 30 Jahre zurückreichende Beobachtungsdaten des Very Large Telescope (VLT) in Chile ausgewertet. Die vier Teleskope des VLT lassen sich mittels Interferometrie so zusammenschalten, dass ihre Auflösung der eines 130 Meter großen Einzeltelekops entspricht. Erst dies macht es möglich, die Position von S2 und die Lage seines Orbits mit der benötigten Genauigkeit zu verfolgen. Dank eines GRAVITY getauften Zusatzinstruments, das die Auflösung der verkoppelten Teleskope durch adaptive Optiken weiter erhöht, lassen sich die Sternpositionen mit einer Genauigkeit von bis zu 30 Millionstel Bogensekunden zu messen. Damit könnte das Instrument zwei Glühwürmchen voneinander unterscheiden, die mit sechs Zentimetern Abstand auf dem Mond sitzen.

Stern folgt Einsteins Rosette

Die Auswertungen der Messdaten ergaben, dass sich die Umlaufbahn des Sterns S2 pro Umkreisung zwischen 0,196 und 0,272 Grad verlagert. Damit zeigt dieser Stern wie von Einstein vorhergesagt eine Schwarzschild-Präzession: Sein Orbit dreht sich im Laufe der Zeit und bildet dadurch eine Rosette. Wie die Forscher erklären, stimmt das beobachtete Ausmaß dieser Bahnverschiebung gut mit dem über die Relativitätstheorie ermittelten Wert von 0,202 überein. „Damit stehen unsere Ergebnisse in voller Übereinstimmung mit der Allgemeinen Relativitätstheorie“, konstatieren die Astronomen. Ihre Beobachtungen belegen damit erstmals, dass die von Einstein vorhergesagten relativistischen Umlaufbahn-Effekte auch im nahen Umfeld eines supermassereichen Schwarzen Lochs gültig sind.

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Die bei S2 gemessenen Orbit-Präzession liefert auch Informationen darüber, was sich sonst noch in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs verbirgt. „Weil die S2-Messungen der Allgemeinen Relativitätstheorie so gut folgen, können wir strenge Grenzen dafür setzen, wie viel unsichtbares Material, etwa verteilte dunkle Materie oder kleinere Schwarze Löcher, um Sagittarius A* herum vorhanden ist“, erklären die Astronomen der GRAVITY-Kollaboration. Denn gäbe es dort größere Massenansammlungen, müssten sie die Präzession stören. Das aber ist nicht der Fall. Die Forscher schließen daraus, dass ein weiteres Schwarzes Loch maximal 100 Sonnenmassen haben dürfte. Das ist deutlich weniger als es manche Forscher für einen solchen versteckten Begleiter postulieren. Eine diffuse Gaswolke oder Ansammlung Dunkler Materie dürfte nicht mehr als rund 8000 Sonnenmassen umfassen.

Quelle: GRAVITY Collaboration, Astronomy & Astrophysics, doi: 10.1051/0004-6361/202037813

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