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Europäische Südsternwarte Errötender Stern bestätigt Einsteins Relativitätstheorie

Die Europäische Südsternwarte ESO blickt in die Tiefen des Weltraums. Ihre neueste Entdeckung: Ein Stern, der einem Schwarzen Loch sehr nahe kommt, dabei errötet - und so ganz nebenbei Einsteins Relativitätstheorie bestätigt.

Stand: 26.07.2018

Künstlerische Darstellung: Bahn des Sterns S2, die sehr nah am supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße vorbeiführt | Bild: ESO/M. Kornmesser

Die Europäische Südsternwarte (European Southern Observatory, kurz ESO) hat ihren Hauptsitz in Garching bei München und betreibt in Chile drei Beobachtungsstandorte. Mithilfe von Teleskopen und verschiedenen Instrumenten gelangen den Wissenschaftlern von dort aus bereits einige spektakuläre Entdeckungen. Jetzt hat das Very Large Telescope (VLT) zum ersten Mal die von Einstein vorhergesagten Auswirkungen an einem Stern zeigen können, der ein Schwarzes Loch umkreist.

Das stärkste Gravitationsfeld der Galaxis im Blick

Das Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße wird von Sternen umkreist.

Nach Einsteins vor mehr als hundert Jahren veröffentlichten Allgemeinen Relativitätstheorie sollte das Licht eines Sterns durch die starke Gravitationskraft eines Schwarzen Lochs rötlicher werden. Die ESO prüfte dies an dem supermassereichen Schwarzen Loch, das der Erde am nächsten ist und das stärkste Gravitationsfeld unserer Galaxis verursacht. Das Schwarze Loch befindet sich 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Zentrum der Milchstraße. Seine Masse ist vier Millionen Mal so groß wie die unserer Sonne. Eine kleine Gruppe von Sternen umkreist es mit hoher Geschwindigkeit.

Stern S2 wird genau beobachtet

Der Stern S2

S2 umkreist das Schwarze Loch einmal in 16 Jahren auf einer eiförmigen Bahn, die ihn bis auf 20 Milliarden Kilometer an das Schwarze Loch heranbringt. Das ist rund 120mal so viel wie die Entfernung von der Erde zur Sonne.

Mit verschiedenen Instrumenten des VLT konnten die Wissenschaftler um Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching einen dieser Sterne, den Stern namens S2, genau beobachten. Im Mai 2018 traute sich S2 ganz nah an das Schwarze Loch heran: An seinem nächsten Punkt war der Stern weniger als 20 Milliarden Kilometer davon entfernt und mehr als 25 Millionen Kilometer pro Stunde schnell. Die Forscher verglichen die aktuellen Positions- und Geschwindigkeitsmessungen sowie frühere Beobachtungen zum Stern S2 mit den Vorhersagen der Newtonschen Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie und anderen Gravitationstheorien.

Neue Beobachtungen passen zur Relativitätstheorie

Die neuen Ergebnisse passten jedoch nicht zu den Newtonschen Vorhersagen. Sie sind "in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie", schreibt die ESO in ihrer Pressemitteilung. Die Beobachtungen seien der Höhepunkt einer 26-jährigen Serie von immer genaueren Beobachtungen des Zentrums der Milchstraße mit ESO-Instrumenten.

"Dies ist das zweite Mal, dass wir den nahen Vorbeiflug von S2 um das Schwarze Loch im galaktischen Zentrum beobachtet haben. Aber diesmal konnten wir den Stern aufgrund der deutlich verbesserten Instrumentierung mit bisher unerreichter Auflösung beobachten. Seit mehreren Jahren haben wir uns intensiv auf dieses Ereignis vorbereitet, da wir bei dieser einmaligen Gelegenheit allgemeinrelativistische Effekte beobachten wollten."

Reinhard Genzel, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching

Schwarzes Loch lässt den Stern erröten

Die Grafik veranschaulicht, wie das starke Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs die Farbe des Sterns leicht ins Rote verschiebt.

Laut ESO zeigen die neuen Messungen einen Effekt, den man Gravitationsrotverschiebung nennt: Das Licht des Sterns S2 wird durch das sehr starke Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs auf längere Wellenlängen gestreckt. Die Farbe des Sterns verschiebt sich leicht zum Roten hin. Die Änderung der Wellenlänge des Lichts stimme genau mit Albert Einsteins Annahmen überein. Mit den neuen Messungen am Stern S2 erweise sich Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie einmal mehr als richtig - "in einem viel extremeren Labor, als er es sich vorstellen konnte", schreibt die ESO.

"Unsere ersten Beobachtungen von S2 vor etwa zwei Jahren haben bereits gezeigt, dass wir das ideale Schwarzloch-Labor haben würden. Während des nahen Vorbeiflugs konnten wir auf den meisten Bildern sogar das schwache Glühen rund um das Schwarze Loch erkennen. Damit konnten wir den Stern auf seiner Umlaufbahn extrem genau verfolgen, was schließlich zur Erkennung der gravitativen Rotverschiebung im Spektrum von S2 führte."

Frank Eisenhauer, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching

Nicht der erste Nachweis für Gravitationsrotverschiebung

Die jetzige Beobachtung ist nicht der erste Nachweis der Gravitationsrotverschiebung. Der Effekt ließ sich bereits in schwächeren Gravitationsfeldern zum Beispiel bei der Sonne, dem Stern Sirius und mithilfe der Gammastrahlung einer radioaktiven Quelle in einem Labor auf der Erde nachweisen.

Relativitätstheorie: Massereiche Körper verzerren die Raumzeit

Einstein hatte die Grundidee seiner Allgemeinen Relativitätstheorie am 25. November 1915 der Preußischen Akademie der Wissenschaften vorgelegt. Er beschreibt darin unter anderem, wie massereiche Körper die Raumzeit verzerren. Heute zählt die Allgemeine Relativitätstheorie zu den großen physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts.

Die Südsternwarte blickt ins All

Die Europäische Südsternwarte (ESO) und das Very Large Telescope (VLT)

Der Orion-Nebel, festgehalten von einem ESO-Teleskop

Das Forschungsinstitut der Europäischen Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) wurde im Jahr 1962 gegründet. Europäische Astronomen sollten endlich unkompliziert einen Blick in den Südsternhimmel werfen können. Zunächst beteiligten sich Deutschland, Belgien, Frankreich, die Niederlande und Schweden. Heute gehören 15 europäische Staaten und Brasilien dazu. Laut ESO belaufen sich die jährlichen Beiträge der Mitgliedsländer auf etwa 198 Millionen Euro. Die ESO beschäftigt rund 700 Mitarbeiter. Die Zentrale befindet sich in Garching bei München.

Das bekannteste Teleskop der Europäischen Südsternwarte ist das Very Large Telescope (VLT, zu deutsch: Sehr Großes Teleskop) auf dem etwa 2.600 Meter hohen Berg Paranal. Es besteht aus vier einzelnen Hauptteleskopen mit einem Spiegeldurchmesser von je gut acht Metern. Zusätzlich gibt es vier bewegliche kleinere Hilfsteleskope. Mit dem VLT wurde im Jahr 2004 der erste Planet fotografiert, der außerhalb unseres Sonnensystems liegt. Die Hauptteleskope können zu einem virtuellen Riesenteleskop kombiniert werden, sodass man extrem scharf in die Ferne blicken kann: so gut, dass man Objekte, die kleiner als eine DVD sind, von der Erde aus auf der Internationalen Raumstation erkennen könnte.

  • "Die Physik Albert Einsteins - Einstein heute": 13.05.2018, 19.15 Uhr, ARD-alpha.
  • "Die Physik Albert Einsteins - Das Schwarze Loch": 15.04.2018, 19.15 Uhr, ARD-alpha.

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