Je ausgefeilter die physikalische Theorie, desto extremere Bedingungen braucht es zu ihrer Überprüfung. Die allgemeine Relativitätstheorie, vor 100 Jahren von Albert Einstein veröffentlicht, erklärt die Gravitationskräfte zwischen Massen jeder Art durch eine Krümmung der Raumzeit, ausgelöst durch ebenjene Massen. Eine starke These, die bislang alle Feuerproben bestanden hat. Doch im irdischen Alltag machen sich relativistische Effekte kaum bemerkbar, weshalb Isaac Newtons einfacheres Gravitationsgesetz hier weiterhin seine Dienste tut. Dreieinhalb Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt aber, in Richtung des Sternbilds Krebs, gibt es einen Ort, an dem Einsteins Gleichungen das Kommando führen: den Quasar OJ 287.

Auf ihn richtet sich in diesen Wochen einmal mehr die Aufmerksamkeit der Astronomen: Seit Anfang Dezember zeigt OJ 287 einen seiner seltenen Helligkeitsausbrüche, den heftigsten seit 30 Jahren: Am 5. Dezember 2015 erreichte der Quasar eine maximale Helligkeit von 12,9 mag, berichtet Mauri Valtonen von der Universität Turku in Finnland. Damit war OJ 287 zwar tausendfach schwächer als die gerade noch mit bloßem Auge sichtbaren Sterne, für Amateurastronomen mit mittelgroßen Teleskopen war er aber durchaus erkennbar. In den Jahren 2005 und 2007 war der Quasar ähnlich aktiv. Damals gelang es Valtonen zusammen mit Kollegen aus Europa, China und Japan, den Zeitpunkt des Ausbruchs zum ersten Mal genau vorherzusagen. Ihr Erfolg erregte Aufsehen, denn er zeigte eindrucksvoll, wie gut die Wissenschaftler den Quasar inzwischen verstanden haben – und wie gut Einsteins Theorie selbst die extremsten Winkel des Kosmos beschreibt.

Die Helligkeitsausbrüche von OJ 287 sind schon seit Ende des 19. Jahrhunderts bekannt. Doch wie sie entstehen, wissen die Forscher erst seit wenigen Jahren. Der "Motor" des Quasars ist demnach eines der massereichsten Schwarzen Löcher, das bisher im Universum entdeckt wurde: 18 Milliarden Sonnenmassen vereint das Massemonster, das im Zentrum einer Galaxie sitzt. Über seine Akkretionsscheibe fällt Gas spiralförmig in das Schwarze Loch und wird dabei so stark erhitzt, dass sie elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen aussendet.

Quasar vom Hubble-Teleskop aufgenommen
© NASA/ESA/M. Mechtley, R. Windhorst, Arizona State University
(Ausschnitt)
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Dieser Quasar gehört zu den am weitesten entfernten und am stärksten leuchtenden Quasaren, die Astronomen bislang fotografieren konnten. Seine Entstehung wird auf eine Milliarde Jahre nach dem Urknall datiert.

Ein außergewöhnlicher Quasar

Solche "aktiven Galaxienkerne" (das Wort "Quasar" bedeutet "quasistellare Radioquelle", denn diese Objekte leuchten extrem hell im Radiolicht) kennen Astronomen zuhauf, doch OJ 287 ist außergewöhnlich. Im Jahr 1982 hatte der finnische Astronom Aimo Sillanpää erkannt, dass seine Eruptionen ein Muster aufweisen: Alle elf bis zwölf Jahre kommt es zu zwei besonders heftigen Ausbrüchen, jeweils paarweise im Abstand etwa eines Jahres. Sillanpää schlug vor, dieses Muster durch ein zweites, masseärmeres Schwarzes Loch zu erklären, das das erste auf einer lang gestreckten Ellipsenbahn mit einer Umlaufdauer von etwa zwölf Jahren umkreist. Immer dann, wenn das sekundäre Loch mit der Gasscheibe des ersten kollidiert – also jeweils kurz vor und kurz nach der dichtesten Annäherung der beiden Löcher –, erhitzt sich die Materie der Scheibe zusätzlich und verursacht eine heftige Strahlungseruption.

Die Vorhersage von Valtonen und seinen Kollegen belegte eindrucksvoll, dass diese These stimmt. Nachdem sie den ersten der beiden Ausbrüche 2005 beobachtet hatten, sagten die Forscher den zweiten für den 13. September 2007 mit einer Genauigkeit von nur sechs Stunden korrekt voraus. Das gelang allerdings nur, weil die Wissenschaftler zwei Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie berücksichtigten: einerseits die relativistische Apsidendrehung, also die periodische Bewegung des Punkts der nächsten Annäherung der beiden Löcher. Sie beträgt 39 Grad pro Orbit – die größte Apsidendrehung, die je bei einem Objekt im Kosmos gefunden wurde. Ohne Berücksichtigung der relativistischen Apsidendrehung hätte der Ausbruch zehn Tage früher stattgefunden.

Sogar noch größer ist der zweite Effekt: Auf Grund der Abstrahlung von Gravitationswellen verliert das Binärsystem stetig Energie, der gegenseitige Abstand schrumpft daher bei jedem Umlauf. Gravitationswellen sind in der klassischen Gravitationstheorie völlig unbekannt, von der Relativitätstheorie werden sie jedoch vorausgesagt. Ohne Gravitationswellen hätte der Ausbruch 20 Tage später stattfinden müssen. Dass er es nicht tat, bestätigt Einsteins Gleichungen bis in die dritte Ordnung über die newtonsche Lösung hinaus. Auch die Masse des umkreisenden Lochs konnten die Wissenschaftler mit hoher Genauigkeit bestimmen. Sie beträgt rund 100 Millionen Sonnenmassen – deutlich weniger zwar als die des primären Lochs in OJ 287, aber immer noch 25-mal mehr als die Masse des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße.

Zu früh gekommen?

Die nächste Kollision des sekundären Lochs mit der Gasscheibe hatten Valtonen und sein Team für Anfang Januar 2016 vorausgesagt, mit einer Unsicherheit von rund drei Wochen in beide Richtungen. "Dass der Ausbruch so früh stattfand, zeigt uns, dass der Spin des primären Schwarzen Lochs am oberen Ende des in unserem physikalischen Modell angenommen Bereichs liegt. Das und die detaillierten Beobachtungen, die wir derzeit sammeln, werden uns helfen, unser Modell zu verbessern", erklärt Valtonen. Auch letzte Zweifel an der Existenz des zweiten Schwarzen Lochs dürften endgültig ausgeräumt sein: "Bislang haben wir das sekundäre Loch nur indirekt bei seinen Durchstößen durch die Gasscheibe des primären nachweisen können. Die empfangene Strahlung des Quasars ließ sich bisher vollständig dem primären Schwarzen Loch und der bei den Durchstößen entstehenden Wärmestrahlung zuordnen. Nun sieht es so aus, als käme die Hälfte der im derzeitigen Ausbruch enthaltenen Strahlung vom zweiten Loch – man kann sagen, dass wir das sekundäre Loch zum ersten Mal direkt nachgewiesen haben."

Die Astronomen werden den Tanz der Schwarzen Löcher in den kommenden Jahren genau im Auge behalten, denn der derzeitige Umlauf ist ein besonderer: Durch die Apsidendrehung liegt die Hauptachse des Orbits des zweiten Lochs fast parallel zur Akkretionsscheibe des ersten. Dadurch sollte es im Juli 2019 und im Juli 2022 zu weiteren Durchstößen kommen, bevor das System ab den 2030er Jahren zu den "normalen" Doppelausbrüchen zurückkehrt, erklärt Valtonen. Trifft diese Vorhersage zu, wäre das ein weiterer Triumph für die allgemeine Relativitätstheorie. Auf lange Sicht wäre das Schicksal des Binärsystems dann allerdings besiegelt. In etwa 10 000 Jahren dürften die beiden Löcher so viel Energie abgestrahlt haben, dass sie zu einem noch größeren Massemonster verschmelzen. Eigentlich Zeit genug für die ESA, ihren geplanten Gravitationswellendetektor eLISA rechtzeitig ins All zu starten: OJ 287 wäre ein heißer Kandidat für die erste direkte Messung von Gravitationswellen. Ein Vorgängerprojekt namens LISA Pathfinder hat es immerhin am 3. Dezember in die Erdumlaufbahn geschafft.