Das Ergebnis der Analyse von Daten für 26 Jahre astronomischer Beobachtungen war die offizielle Bestätigung der durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagten Besonderheit der Bewegung eines Sterns im starken Gravitationsfeld eines supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße. Dies wird in einem Artikel in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics berichtet.
Das Forschungsobjekt für Wissenschaftler in all den Jahren war der Stern S2, der sich neben dem supermassiven Schwarzen Loch Schütze A * im galaktischen Zentrum der Milchstraße befindet. Das Schwarze Loch hat eine Masse, die vier Millionen Mal so groß ist wie die Masse der Sonne und liegt 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Der S2-Stern selbst, der zum Spektraltyp B gehört, ist einer der am besten untersuchten Sterne des S-Clusters, einer Gruppe sich schnell bewegender Sterne, die 2002 entdeckt wurde.
„Dies ist nur der zweite Ansatz zwischen S2 und einem Schwarzen Loch, den wir verfolgen konnten. Andererseits hat sich die Genauigkeit der Instrumente in den letzten zehn Jahren deutlich verbessert, sodass dieses Meeting mit ultrahoher Auflösung verfolgt werden kann. Wir haben uns seit mehreren Jahren sorgfältig auf dieses Ereignis vorbereitet, da es uns ermöglicht, die Besonderheit relativistischer Effekte in der Praxis zu testen “, sagte Reinhard Gentzel vom Max-Planck-Institut für außerirdische Physik in Garching (Deutschland).
Das Schwarze Loch ist von mehreren Dutzend Sternen und mehreren großen Gaswolken umgeben, die sich ihm in gefährlicher Entfernung regelmäßig nähern. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie werden diese Begegnungen und die damit verbundenen relativistischen Effekte einen besonderen Effekt auf die Umlaufbahn des Sterns haben und sein Perizentrum verschieben. Und Wissenschaftler konnten dies in der Praxis bestätigen.
Im Jahr 2003 näherte sich der Stern dem Schwarzen Loch in gefährlicher Entfernung, wodurch Astrophysiker erstmals nachverfolgen konnten, ob sich seine Flugbahn unter dem Einfluss der Schwerkraft des Schwarzen Lochs änderte. Die nächste Annäherung des Sterns an Schütze A * fand erst im Mai dieses Jahres statt, auf die sich Wissenschaftler sehr lange und sorgfältig vorbereitet haben. Der Veranstaltung folgten mehrere der weltweit führenden Teleskope.
Hubble, VLT und andere große Erdbeobachtungsstellen haben seit April dieses Jahres begonnen, nahezu konstante Beobachtungen von S2 mit SINFONI-, GRAVITY- und NACO-Instrumenten durchzuführen, die im Infrarot- und Nahinfrarotbereich des Spektrums arbeiten.
Kritisch waren die Daten, die im Mai 2018 gesammelt wurden, als sich der Stern dem weniger als 20 Milliarden Kilometer entfernten Schwarzen Loch näherte. Der Effekt der Wechselwirkung zwischen dem Schwarzen Loch und dem Stern war so stark, dass das Schwarze Loch dessen Geschwindigkeit auf 25 Millionen Stundenkilometer beschleunigte (fast 3 Prozent der Lichtgeschwindigkeit).
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Wissenschaftler stellen fest, dass sich die Wechselwirkung insbesondere in einer starken Änderung der Farbe des Sterns unter dem Einfluss der sogenannten Gravitationsrotverschiebung manifestierte - der "Dehnung" elektromagnetischer Wellen, wenn sie auf ein Gebiet mit einem starken Gravitationsfeld treffen. Im Fall von S2 „rötete“sich der Stern merklich, als er sich dem Schützen A * näherte, und nahm nach einer Weile seine übliche Farbe an. Die Stärke dieses Effekts, wie durch VLT-Beobachtungen gezeigt, stimmte voll und ganz mit den Vorhersagen der Relativitätstheorie und des damit verbundenen Phänomens der Gravitationszeitdilatation überein.
„Unsere ersten Beobachtungen von S2 mit dem GRAVITY-Instrument begannen vor ungefähr zwei Jahren. Schon damals haben wir einen deutlichen Rotverschiebungseffekt in Verbindung mit einem Schwarzen Loch festgestellt, der Einsteins allgemeine Relativitätstheorie erneut bestätigte “, sagt der Astrophysiker Frank Eisenhower, der mit den Spektrographen GRAVITY und SINFONI arbeitet.
"Bei unserer nächsten Annäherung bemerkten wir in den meisten Bildern sogar ein schwaches Leuchten um das Schwarze Loch, wodurch wir die Umlaufbahn des Sterns sehr genau verfolgen und schließlich die Rotverschiebung der Gravitation von S2 beobachten konnten."
Ebenso haben Wissenschaftler bestätigt, dass die Bewegung von S2 um den Betrag, der mit Einsteins Berechnungen berechnet wurde, von der üblichen Newtonschen Umlaufbahn abweicht. Beides beweist laut Genzel und seinem Team erneut, dass Einstein zu Recht beschreibt, wie sich das Gefüge der Raum-Zeit und des gesamten Universums verhält.
Die Forscher sagen, dass sie jetzt ein natürliches Labor für die Untersuchung von supermassiven Schwarzen Löchern und relativistischen Effekten haben.
Nikolay Khizhnyak
