Nach 26 Jahren gelingt erster erfolgreicher Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstherorie nahe supermassereichem Schwarzem Loch


Diese Simulation zeigt die Umlaufbahnen von Sternen in unmittelbarer Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße. Einer dieser Sterne, genannt S2, umkreist das Schwarze Loch alle 16 Jahre und hat es im Mai 2018 passiert. Dies ist ein perfektes Labor, um die Gravitationsphysik und speziell Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu testen (Illu.).

Copyright: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Garching (Deutschland) – Mit Hilfe des Very Large Telscope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) ist es Astronomen nach einer 26 Jahre andauernden Beobachtungskampagne zum ersten Mal gelungen, die von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten Auswirkungen auf die Bewegung eines Sterns aufzuzeigen, der das extreme Gravitationsfeld in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs in der Mitte der Milchstraße durchwandert.

26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt – im Zentrum der Milchstraße – befindet sich das uns am nächsten gelegene supermassereiche Schwarze Loch, dessen Masse vier Millionen Mal so groß ist, wie das unserer Sonne ist – und so das stärkste Gravitationsfeld in unserer Galaxie darstellt. Dieses wird von einer kleinen Gruppe von Sternen mit hoher Geschwindigkeit umkreist. Die gewaltige Schwerkraft des supermassereichen Schwarzen Lochs mit der Bezeichnung Saggitarius A* macht diese Umgebung zum idealen Ort, um die Gravitationsphysik zu erforschen und insbesondere Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu testen.

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„Neue Infrarotbeobachtungen der höchstempfindlichen Instrumente GRAVITY, SINFONI und NACO am Very Large Telescope (VLT) der ESO haben es Astronomen nun ermöglicht, einen dieser Sterne mit dem Namen ‚S2‘ zu verfolgen, als er im Mai 2018 das Schwarze Loch passierte“, berichtet die ESO-Pressemitteilung. „Am nächsten Punkt war dieser Stern weniger als 20 Milliarden Kilometer vom Schwarzen Loch entfernt und bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von über 25 Millionen Kilometern pro Stunde – fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit.“

Dieses Diagramm zeigt die Bewegung des Sterns S2 um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Es wurde aus Beobachtungen mit ESO-Teleskopen und Instrumenten über einen Zeitraum von mehr als 25 Jahren zusammengestellt. Der Stern braucht 16 Jahre, um einen Umlauf zu vollenden und war im Mai 2018 sehr nah am Schwarzen Loch.
Copyright: ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

Hierzu verglichen die Astronomen die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen von GRAVITY und SINFONI sowie frühere Beobachtungen von „S2“ mit anderen Instrumenten mit den Vorhersagen der Newtonschen Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie und anderen Gravitationstheorien.

Das Ergebnis: „Die neuen Ergebnisse passen nicht zu den Newtonschen Vorhersagen und sind in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie“, so die ESO-Wissenschaftler unter der Leitung von Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garchingbei München zusammen mit Mitarbeitern aus aller Welt.

Die neuen Messungen zeigen demnach deutlich einen Effekt, der als „Gravitationsrotverschiebung“ bezeichnet wird: Hierbei wird das Licht des Sterns (S2) durch das enorme Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs auf längere Wellenlängen gestreckt. „Die Änderung der Wellenlänge des Lichts von S2 stimmt genau mit der von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten überein. Dies ist das erste Mal, dass diese Abweichung von den Vorhersagen der einfacheren Newtonschen Gravitationstheorie in der Bewegung eines Sterns um ein supermassereiches Schwarzes Loch beobachtet wurde.“

Mehr als einhundert Jahre nachdem er seinen Artikel mit den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlicht hat, hat sich Einstein einmal mehr als richtig erwiesen – in einem viel extremeren Labor, als er es sich vorstellen konnte!

Françoise Delplancke, Leiterin der Abteilung Systemtechnik bei der ESO, erläutert die Bedeutung der Beobachtungen: “Hier im Sonnensystem können wir die Gesetze der Physik nur unter bestimmten Umständen testen. Deshalb ist es in der Astronomie sehr wichtig zu überprüfen, ob diese Gesetze noch gültig sind, wenn die Gravitationsfelder sehr viel stärker sind.”

Weitere Beobachtungen dürften sehr bald einen weiteren relativistischen Effekt zeigen – eine kleine Rotation der Sternumlaufbahn, die als Schwarzschild-Präzession bezeichnet wird – wenn sich S2 vom Schwarzen Loch entfernt.

– Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachjournal “Astronomy & Astrophysics” (DOI: 10.1051/0004-6361/201833718) veröffentlicht.

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