Schnellste Stern der Milchstraße umkreist Schwarzes Loch

Astronominnen haben den bislang schnellsten bekannten Stern in der Michstraße entdeckt. Der Stern mit der Bezeichnung S301 umkreist das Schwarze Loch im Zentrum  unserer Galaxie mit 25.000 km/s.

Der Stern wurde mit dem Very Large Telescope Interferometer der Europäischen Südsternwarte (ESO-VLTI) nachgewiesen. Die fremde Sonne S301 kommt dem Schwarzen Loch näher als jedes andere zuvor beobachtete Objekt. Der Stern kommt so nahe, dass durch ihn erstmals die Rotation des Schwarzen Lochs direkt messbar wird. Die Sonne fegt mir der irren Geschwindigkeit von 25.000 km/s (90.000.000 km/h) um das vier Millionen Sonnenmassen  schwere Schwarze Loch. Zum Vergleich: Die Lichtgeschwindigkeit liegt bei 300.000 km/s – der Stern ist also mit 1/12 Lichtgeschwindigkeit unterwegs.

Stern um Schwarzes Loch; Credit: ESO/GRAVITY collaboration

Die Wissenschaftler schreiben hier: „Jahrzehnte sorgfältiger Nachbeobachtungen von Sternen, die das zentrale Schwarze Loch unserer Galaxie, Sagittarius A*, umkreisen, haben zu dieser bahnbrechenden Entdeckung eines äußerst vielversprechenden Sterns geführt. 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", sagt Nobelpreisträger Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching und Gründungsmitglied der Kollaboration, die die neuen Beobachtungen durchgeführt hat.

„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 an. Das ist ohne Beispiel", erklärt Felix Mang, Doktorand am MPE und Erstautor der heute in Nature veröffentlichten Studie.

Bei seiner engsten Annäherung an das Schwarze Loch erreicht der Stern eine Geschwindigkeit von rund 25.000 Kilometern pro Sekunde. Das ist 100.000-mal schneller als ein Verkehrsflugzeug oder mehr als 8 % der Lichtgeschwindigkeit – womit er den Rekord für den schnellsten Stern in der Milchstraße hält. S301 kommt Sagittarius A* zudem näher als jeder andere bisher beobachtete Stern und erreicht eine Minimaldistanz, die etwa dem Abstand von Saturn zur Sonne entspricht. [1] Aufgrund dieser extremen Nähe ist S301 der erste bekannte Stern, mit dem sich die Rotation eines Schwarzen Lochs direkt messen lassen könnte.

Wie bei den meisten Objekten im Universum nehmen Astronominnen und Astronomen an, dass sich auch Sagittarius A* um die eigene Achse dreht. Gemäß Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zieht ein rotierendes Schwarzes Loch die Raumzeit mit sich und verdrillt sie, was sich auf die Umlaufbahnen naher Sterne auswirkt. Dieser Effekt macht sich umso stärker bemerkbar, je näher ein Objekt einem schnell rotierenden Schwarzen Loch kommt.

„Wir hoffen, mit diesem Stern innerhalb der nächsten zehn Jahre den Spin des Schwarzen Lochs messen zu können", sagt Mang. MPE-Forscher Stefan Gillessen, ebenfalls maßgeblich an der Studie beteiligt, ergänzt: „Damit wären wir erstmals in der Lage, die Rotation eines massereichen Schwarzen Lochs sehr direkt zu bestimmen – ein zentraler Test für Einsteins Theorie." Juan Osorno, Astronom am LIRA Observatoire de Paris–PSL in Frankreich, der ebenfalls eine Schlüsselrolle in der Studie innehatte, fügt hinzu: „Ohne diesen Stern müssten wir die Bewegung anderer Sterne noch mehrere Jahrzehnte lang verfolgen, um der Messung des Spins auch nur nahezukommen."

Das Aufspüren von S301, der am Himmel zwei Milliarden Mal schwächer leuchtet als Beteigeuze (der orangefarbene Stern im Sternbild Orion), war keine leichte Aufgabe. Das Team nutzte das VLTI, eine Einrichtung am Paranal-Observatorium der ESO in Chile, sowie dessen Instrument GRAVITY, das nach einem Infrastruktur-Upgrade nun als GRAVITY+ betrieben wird. [2] Die Stärke des VLTI liegt in der Fähigkeit, das Licht von vier 8-Meter-Teleskopen zu kombinieren. Dadurch entsteht ein „virtuelles" Teleskop mit der 15-fachen räumlichen Auflösung eines einzelnen 8-Meter-Teleskops.

„Paranal ist weltweit der einzige Ort, an dem Beobachtungen dieser Art möglich sind, da kein anderes Observatorium über vier 8-Meter-Teleskope verfügt, die zusammen als Interferometer geschaltet werden können", erklärt Koautor Frank Eisenhauer, Wissenschaftlicher Leiter von GRAVITY+ und Direktor am MPE.

Mit GRAVITY und später GRAVITY+ gelang es dem Team im Frühjahr 2023 erstmals, einen Blick auf den neuen Stern zu erhaschen. Seither wird seine Bahn kontinuierlich nachverfolgt. Zudem konnten die Forschenden die Bahnvergangenheit von S301 bis ins Jahr 2017 rekonstruieren und feststellen, dass er seine engste Annäherung an das zentrale Schwarze Loch zuletzt Anfang 2023 absolvierte. Die Bahneigenschaften von S301 sowie die Tatsache, dass Sterne nicht so nahe an einem massereichen Schwarzen Loch entstehen können, deuten darauf hin, dass S301 ursprünglich Teil eines Doppelsternsystems war, das durch die Gezeitenkräfte von Sagittarius A* zerrissen wurde. Bei diesem Prozess wurde S301 durch die Gravitation des Schwarzen Lochs eingefangen, während sein Begleitstern mit hoher Geschwindigkeit herausgeschleudert wurde – vermutlich schnell genug, um die Galaxie komplett zu verlassen.

Folgebeobachtungen mit GRAVITY+ sowie mit dem Instrument MICADO am künftigen Extremely Large Telescope (ELT) der ESO werden entscheidend sein, um die Bahn von S301 über das kommende Jahrzehnt hinweg zu verfolgen, wenn 2031 die nächste engste Annäherung ansteht. Die Beobachtung von mindestens zwei vollständigen Umlaufbahnen ermöglicht es, die Trajektorie mit so hoher Präzision einzugrenzen, dass das Team erstmals den Spin von Sagittarius A* direkt bestimmen kann. „Das wäre die Erfüllung eines Traums", sagt Mang.

Ergänzung: Mir ist beim Schreiben des Texts gar nicht aufgefallen, dass bei der Geschwindigkeit bereits relativistische Effekte zeigen müssten. Aber mein Studium der physikalischen Technik ist vor genau 50 Jahren startetet und damals waren "schnelle Sterne" kein Thema. Die Tage bin ich auf diesen Artikel gestoßen, der diese Fragestellungen aufwirft.