Einer Forschergruppe um Marzieh Parsa von der Universität zu Köln und dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn ist es gelungen, Hinweise auf so genannte relativistische Effekte bei Sternen im Orbit des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße zu finden. Darunter verstehen Physiker eine Abweichung von den Vorhersagen der newtonschen Gravitationsgesetze, die sich nur mit Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie erklären lässt.

Die Bahnen der Sterne S2, S38 und S55 um das zentrale Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße (künstlerische Darstellung)
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Im unmittelbaren Umfeld des massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unseres Milchstraßensystems befinden sich zahlreiche Sterne, die es mit hohen Geschwindigkeiten auf elliptischen Bahnen umkreisen. Hier sind exemplarisch die Orbits der Sterne mit den Bezeichnungen S2, S38 und S55 hervorgehoben. Der Ort des Schwarzen Lochs ist mit einem blauen Kreis markiert.

Im unmittelbaren Umfeld des zentralen Schwarzen Lochs in unserer Galaxis sind rund 40 Sterne bekannt, die das Schwerkraftmonster in engen Bahnen umrunden und ihm dabei sehr nahekommen können. Die Forschergruppe wertete nun Daten aus, die Astronomen im Lauf der vergangenen 20 Jahre unter anderem mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile und anderen erdgebundenen Großteleskopen aufgezeichnet haben. Dabei verglichen die Wissenschaftler die Sternpositionen mit den Vorhersagen des klassischen newtonschen Gravitationsgesetzes und denen der allgemeinen Relativitätstheorie.

Insbesondere bei einem Stern mit der Bezeichnung S2 zeigten sich Hinweise auf kleine Abweichungen der Bahn gegenüber einer klassischen keplerschen Ellipsenbahn, berichten die Forscher. Um die Bewegung von S2 korrekt zu beschreiben, waren just jene Korrekturen nötig, die Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt. Auch bei den Sternen mit den Bezeichnungen S38 und S55 deutet sich dieser Effekt an.

Die Bahn des Sterns S2 um das zentrale Schwarze Loch (künstlerische Darstellung)
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Die Bahn des Sterns S2 um das zentrale Schwarze Loch in unserem Milchstraßensystem weicht durch relativistische Effekte von den Vorgaben der klassischen Physik ab, wie es nun erstmals gemessen werden konnte. Bei seinen größten Annäherungen an das Schwarze Loch erreicht der Stern S2 rund zwei Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Der Stern S2 bewegt sich in rund 15,6 Jahren einmal um das zentrale Schwarze Loch. An einem Punkt seiner Bahn beträgt der Abstand nur noch 17 Lichtstunden. Dies entspricht etwa der 120-fachen Distanz Erde-Sonne oder der vierfachen Distanz Neptun-Sonne. Bei Erreichen des geringsten Abstands zum Schwarzen Loch kommt S2 etwa auf zwei Prozent der Lichtgeschwindigkeit, also rund 6000 Kilometer pro Sekunde oder 21,6 Millionen Kilometer pro Stunde. Bei dieser Geschwindigkeit ließe sich die Strecke von der Erde zur Sonne in etwa sieben Stunden zurücklegen.

S2 weist zirka 15 Sonnenmassen auf und ist daher sehr heiß und leuchtstark. Die Forscher um Parsa untersuchten die Bahn des Sterns aber nicht nur während des Durchlaufs des minimalen Abstands zum Schwarzen Loch, sondern ermittelten seine Position während mehr als eines gesamten Umlaufs. Dabei fanden sie Hinweise auf relativistische Abweichungen. Sie werden durch die Krümmung des Raums hervorgerufen, die wiederum auf die enorme Masse des zentralen Schwarzen Lochs zurückgeht. Die Forscher bestimmten aus ihren Beobachtungen an den Sternen S2, S38 und S55 auch die Masse des Giganten: Er kommt demnach auf 4,15 Millionen Sonnenmassen und ist 26 700 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Durch die Raumkrümmung bewegt sich die Lage der Umlaufbahn des Sterns S2 im Raum relativ zum Schwarzen Loch um 0,15 Grad pro Umlauf. Diese Bewegung wird als Periheldrehung bezeichnet. Sie ist im Vergleich zur Periheldrehung des sonnennächsten Planeten Merkur sehr groß, seine Bahnlage dreht sich mit nur 0,012 Grad pro Jahrhundert. Dennoch war dieser Effekt ausreichend, um auf eine Diskrepanz beim newtonschen Gravitationsgesetz hinzuweisen, so dass Albert Einstein im Jahr 1915 auch durch diese Beobachtung zur allgemeinen Relativitätstheorie inspiriert wurde. Der sehr viel größere Wert der Periheldrehung des Sterns S2 ist auf die riesige Masse des zentralen Schwarzen Lochs und die damit einhergehende wesentlich stärkere Krümmung des Raums durch seine Schwerkraft gegenüber dem vergleichsweise sehr schwachen Gravitationsfeld der Sonne zurückzuführen.