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Sensationeller Beweis:
Das Schwarze Loch unserer Galaxis - Astronomen trauen ihren Augen nicht

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Nach zehn Jahren aufwendiger Messungen gelang einem internationalen Team unter Leitung von Fachleuten des Garchinger Max-Planck-Institutes für Extraterrestrische Physik nun ein sensationeller Nachweis. Mit dem riesigen Yepun-Teleskop der Eso beobachteten die Astronomen einen Stern, der auf engster Bahn um das galaktische Zentrum rast. Diese Entdeckung lässt keine Zweifel mehr offen: Dort, im geheimnisvollen Mittelpunkt unserer Sternenspirale, lauert ein supermassives Schwarzes Loch!

 

Reise zum Mittelpunkt der Galaxis

Seit Jahrzehnten sind Astrophysiker einem Monster auf der Spur. Es verbirgt sich im Zentrum unseres Milchstraßensystems. Dort spielen sich ungeheure Vorgänge ab, doch auf sie lassen nur indirekte Beobachtungen schließen. Denn das galaktische Herz hüllt sich in riesige, undurchdringliche Gas- und Staubwolken. Gewaltige Schwerkräfte konzentrieren hier die Materie, so dass Astronomen buchstäblich der »Durchblick« fehlt. Teleskope, deren Detektoren im sichtbaren Bereich des Spektrums arbeiten, können die interstellaren Schleier und das Gewirr verschiedenster kosmischer Objekte nicht durchdringen. Das Ganze gleicht einer Irrfahrt durch dichten Nebel.

In diesen Gebieten, mitten im Sternbild Schütze, ist das Band der Milchstraße am hellsten. Sternhaufen und leuchtende Nebel scharen sich auf engem Raum, Dunkelwolken blockieren die Sicht. Da die Sonne zusammen mit Abermilliarden ihrer Artgenossen in der Ebene der Galaxis um deren Kerngebiet kreist und auch die interstellaren Wolken in genau dieser Ebene liegen, gestaltet sich der Blick ins Zentrum unserer eigenen Galaxie viel problematischer als bei fremden Welteninseln. In anderen Spektralbereichen aber werden die Nebel durchsichtig. Mit Infrarot-, Radio- und Röntgenteleskopen dringen Astronomen tiefer zu den Geheimnissen im Kern vor. Radiokarten, die mit Hilfe des Interferometers von Socorro in New Mexico erstellt wurden, haben rätselhafte Parallelstrukturen offenbart sowie einen Materiering von sechs Lichtjahren Durchmesser, der von einem zentralen Balken durchzogen wird.

Hier befindet sich auch die im Radiobereich extrem stark strahlende Quelle Sagittarius A (SgrA*), deren Helligkeit zeitlichen Veränderungen unterworfen ist. Aus diesen Regionen dringt exotische Strahlung zu uns durch, Röntgenlicht und Teilchenstrahlung. Und genau hier, im Herzen unseres Systems, vermuten Astrophysiker schon lange ein supermassives Schwarzes Loch. Alle Galaxien mit einem zentralen Wulst (»bulge«) bergen ein derartiges Materiemonster in sich - auch unsere Milchstraße zählt zu diesem Galaxientyp. Diese Beobachtungen wurden erst kürzlich von einem Team um die Astronomen Douglas Richstone und Ralf Bender belegt. Dabei erwies sich auch ein sehr enger Zusammenhang zwischen der Bulge-Masse und derjenigen des Schwarzen Loches. Der Zentralwulst ist rund 500-mal schwerer als das von ihm beherbergte »Loch«. Dennoch sind die supermassiven »black holes« extreme Schwergewichte, die manchmal Milliarden Sonnenmassen in sich vereinen können. Eine Weile glaubten Astronomen, das Schwarze Loch im Zentrum unseres Systems sei eher ein »Winzling«, nur rund 100 Sonnenmassen schwer. Die allerneuesten Entdeckungen, die nun über unser galaktisches Zentrum bekannt wurden, widersprechen dem allerdings deutlich. Jetzt gelang es, nicht nur die Existenz des dortigen »Finsterlings« nachzuweisen, sondern auch, seine Masse zu bestimmen.

S2 verrät das Schwarze Loch

In den vergangenen zehn Jahren haben Astronomenteams weltweit geradezu »supermassive« Anstrengungen unternommen, um die Schleier des von uns rund 26.000 Lichtjahre entfernten Milchstraßenzentrums zu lüften und nachzusehen, ob dort wirklich ein gigantisches Schwarzes Loch schlummert. Mit Riesenteleskopen stießen sie zu tausenden von Einzelsternen vor, die in einer Zone von rund einem Lichtjahr Ausdehnung um das galaktische Zentrum verteilt sind - das entspricht ungefähr dem tausendfachen Durchmesser der Plutobahn.

Mit dem 3,5-Meter-Spiegel auf dem La Silla in Chile peilte die Europäische Südsternwarte Eso diese Sonnen an, um ihre Bewegung zu ermitteln und daraus auf die zentrale Masse zu schließen. Je schneller die Sterne um ihr gemeinsames Zentrum kreisen, desto mehr Materie muss dort auch konzentriert sein. Beobachtungen mit anderen Instrumenten wie dem mit zehn Metern Durchmesser weltgrößten Spiegel, dem Keck-Teleskop auf Hawaii, lieferten wertvolle weitere Daten. Sie ließen aufhorchen: Ganz offenbar vereint sich eine Masse von rund drei Millionen Sonnen auf engstem Raum, einem Gebiet mit dem Radius von nur zehn Lichttagen. Allerdings waren immer noch andere Erklärungen möglich - vielleicht eine enge Gruppe zahlreicher Neutronensterne oder viele kleinere Schwarze Löcher. »Wir brauchten zu jener Zeit einfach noch schärfere Bilder, um die Frage zu klären«, erinnert sich Reinhard Genzel, Direktor des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik (MPE) in Garching bei München, »und wir zählten darauf, dass uns das Very Large Telescope der Eso solche Bilder liefern würde. Das neue Instrument NAOS-CONICA (NAOS) war dann genau das, was wir für einen derart entscheidenden Schritt nach vorne benötigten.«

NACO wurde Ende 2001 an Yepun angebracht, einem der vier 8,2-Meter-Spiegel auf dem chilenischen Berg Paranal. Schon die ersten Bilder waren unvergleichlich, doch die Aufnahmen des Milchstraßenzentrums überboten alles. Den Experten stockte der Atem. Sie hatten die »tiefsten« und schärfsten Bilder vor sich, die je vom Kern der Galaxis gemacht worden waren. Die Kombination von alten mit neuen Ergebnissen führte dann zu einer überraschenden, packenden Entdeckung. Thomas Ott, zusammen mit seinen MPE-Kollegen Rainer Schödel und Reinhard Genzel leitend an der internationalen Studie beteiligt, erklärt überwältigt: »Als wir im Mai 2002 die neuesten NACO-Daten in unsere Analyse einbezogen, mochten wir unseren Augen nicht trauen. Der Stern S2, der gegenwärtig am nächsten bei SrgA* steht, hatte soeben einen schnellen Schwung um die nahe Radioquelle ausgeführt. Wir erkannten plötzlich, dass wir tatsächlich die Bewegung eines Sterns auf seiner Bahn um das zentrale Schwarze Loch beobachteten. Sie führte ihn unglaublich nahe an das mysteriöse Objekt heran.«

Im Bann des Materiemonsters

Das Ereignis war einzigartig. Zu keinem früheren Zeitpunkt waren Astronomen auf ein Objekt gestoßen, das dem lange vermuteten Schwarzen Loch so nahe kam wie S2. Dieser mit rund 15 Sonnenmassen und dem siebenfachen Sonnendurchmesser ziemlich ausladende, aber sonst ganz gewöhnliche Stern hatte seinen geringsten Abstand zu SrgA* bereits im Frühjahr 2002 erreicht. Damals trennten ihn nur 17 Lichtstunden von der geheimnisvollen Radioquelle. Für galaktische Verhältnisse ist das verschwindend wenig.
S2 bewegt sich sehr rasant - in einer Sekunde legt er 5.000 Kilometer zurück. Zum Vergleich: Das ist knapp 200-mal schneller als das Tempo, mit dem unsere Erde um die Sonne kreist. Pluto, der dreimal näher an der Sonne steht als S2 bei SrgA*, kriecht mit nicht einmal fünf Sekundenkilometern um sein Zentralgestirn und benötigt 248 Jahre für einen Umlauf. S2 bewältigt seine um ein Vielfaches längere Strecke in nur 15,2 Jahren.

Wie sich herausstellte, bewegt er sich auf einem stark elliptischen Orbit, der ihn auf bis zu zehn Lichttage von der Radioquelle weg ins so genannte Aponigricon führt - das ist der Bahnpunkt, in dem ein umkreisendes Objekt seinen größten Abstand vom Schwarzen Loch erreicht. Der Punkt der größten Nähe wird demgegenüber als Perinigricon bezeichnet.
S2 und seine Bahndaten lassen nun die bislang genaueste Bestimmung jener immensen Zentralmasse zu. Sie liegt bei 2,6 Millionen Sonnen, ein Wert, der mit einer Unsicherheit von jeweils 200.000 Sonnen nach oben und unten behaftet ist. Entscheidend ist nun das für diese gewaltige Masse verbleibende Raumgebiet. Das führende Teammitglied Rainer Schödel verdeutlicht: »Wir sind nun in der Lage, mit Sicherheit zu zeigen, dass SgrA* tatsächlich die Örtlichkeit der zentralen, dunklen Masse ist, von deren Existenz wir bereits wussten. Sogar noch bedeutsamer ist aber: Unsere neuen Daten haben das Volumen, innerhalb derer diese mehrere Millionen Sonnenmassen enthalten sind, um einen Faktor von einigen Tausend ›geschrumpft‹«.

Mit diesem sensationellen Ergebnis können die Astrophysiker nun sämtliche bisher ins Feld geführte Alternativen des Schwarze-Loch-Szenarios ausklammern: sehr dichte Haufen von Neutronensternen, stellare Schwarze Löcher oder gar hypothetische Bosonensterne, bestehend aus schweren Elementarteilchen; sie alle wären bisher vielleicht noch als Erklärung durchgegangen. Doch auf diesem extrem eingeengten Raum kommt einfach nur noch ein supermassives Schwarzes Loch in Frage. Auch andere Astronomenteams näherten sich mit Supertechnik dem Zentrum unserer Galaxis und bestätigten die Existenz des Schwarzen Loches dort.

Staubspiralen im Zentrum

Ein von dem amerikanischen Forscher Mark Morris geleitetes Team nutzte die Kraft des Keck-II-Spiegels, um mit der brandneuen Infrarotkamera Mirlin zum Kern der Milchstraße vorzudringen. Mirlin - der »Mid-Infrared Large-Well Imager« - wurde am Laboratorium für Strahlantriebe entwickelt und arbeitet in drei verschiedenen Bereichen des infraroten Lichtes, um ein beeindruckendes Farbkomposit zu liefern. Es zeigt das bisher höchst aufgelöste Infrarotbild, das je vom Mittelpunkt der Milchstraße gewonnen wurde. Da der spektrale Bereich der Aufnahme im mittleren Infrarot liegt, in dem Gegenstände von Zimmertemperatur am »hellsten« abstrahlen, sind Spezialtechniken nötig, um nur noch die kosmischen Quellen abzubilden.
Die in Gas und Staub gehüllten Sterne des galaktischen Zentrums erwärmen die umliegende Materie, die ihrerseits zu Glimmen beginnt. Diese Strahlung kann mit Mirlin erfasst werden. Das an Keck gekoppelte moderne Kamerasystem enthüllt staubige Materiebahnen, die in Spiralform auf das Kerngebiet zustürzen. Dabei erscheint ein Strom aus Gas und Staub am bemerkenswertesten, der als »Nördlicher Arm« bekannt ist.

Je nach der momentanen Materieverteilung um das Schwarze Loch erhält es mehr oder minder viel Nahrung, es »frisst« oder »fastet«. Dieser Wechsel bestimmt auch seine Auswirkungen auf die Umgebung. Zur Zeit geht es eher ruhig dort zu. Wenn Material aus dem Strom in das Schwarze Loch fällt, werden jedesmal gewaltige Energiemengen frei, die alles im umliegenden Raum beeinflussen. Ein derartiges Ereignis könnte Schockwellen aussenden, die benachbarte Materiewolken zum Kollaps veranlassen und eine haufenweise Geburt neuer Sterne einleiten. Andererseits könnten Energieausbrüche dieser Art sich auch zerstörerisch auf die nahen Wolken auswirken und Sternentstehung verhindern.
Die ungeahnt präzisen neuen Beobachtungen präsentieren allesamt ein faszinierendes Bild vom Zentrum unserer Heimatgalaxie. Vor allem die in den vergangenen zehn Jahren über zwei Drittel des kompletten Orbits verfolgte Bahn von S2 führte jetzt zu einem sensationellen Durchbruch, dem Nachweis des monumentalen Schwarzen Lochs im Herzen der Galaxis.

Alvio Renzini, seines Zeichens Eso-Programm-Wissenschaftler am VLT auf dem Paranal, stellt resümierend fest: »Die meisten Astrophysiker dürften akzeptieren, dass die neuen Daten einen zwingenden Beweis für die Existenz eines supermassiven Schwarzen Loches im Zentrum der Milchstraße liefern. Dadurch wird eine Interpretation nur noch wahrscheinlicher, die supermassive Schwarze Löcher ebenfalls in den enormen dunklen Massenkonzentrationen sieht, wie sie mitten in vielen anderen Galaxien entdeckt wurden.«
Als nächsten Schritt wollen die Astrophysiker klären, wann und wie die zentralen Giganten entstanden sind. Sie planen, mit bald einsatzbereiten Systemen sogar direkt zum Ereignishorizont der Schwarzen Löcher vorzudringen, jener düsteren Sphäre, der nicht einmal Licht entrinnen kann und an der die Zeit stehen bleibt!

Facts:

Mit Infrarot-, Radio- und Röntgenteleskopen dringen Astronomen durch interstellare Wolken immer näher zum Zentrum der Galaxis vor.

Unsere Milchstraße zählt zu den Galaxien mit zentralem Wulst. Sie alle besitzen laut Theorie und Beobachtung ein Schwarzes Loch. Doch für den massiven Kern der Galaxis kamen bisher auch alternative Erklärungen in Frage.

Seit zehn Jahren schon beobachten Astronomen die Bewegung von Sternen in unmittelbarer Nähe des Kernes.

Ein internationales Astronomenteam ermittelte nun die Bahn des Riesensterns S2 und stellte fest, dass er bis auf 17 Lichtstunden an das Zentrum der Galaxis heranrückt.

S2 rast mit 5.000 Kilometern pro Sekunde um sein Schwerezentrum, für das daraus eine Masse von 2,6 Millionen Sonnen folgt. Es kann sich nur um ein supermassives Schwarzes Loch handeln.

Andere Teams fanden staubige Materiebahnen, die spiralig zum Zentrum stürzen, vor allem die Massen des »Nördlichen Armes«.

Nun wollen Astrophysiker mit neuen Teleskopsystem sogar den Ereignishorizont des Schwarzen Loches »sichtbar« machen.

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