Im Herzen unserer Galaxis, rund um die Radioquelle Sagittarius A* (Sgr A*), die mit dem etwa 4,3 Millionen Sonnenmassen schweren Schwarzen Loch assoziiert wird, bewegen sich Sterne mit aberwitzigen Geschwindigkeiten. Mit S301 hat ein Team um den Astronomen Karim Abd El Dayem vom Observatoire de Paris einen neuen Rekordhalter unter diesen als S-Sterne bekannten Objekten ausgemacht, wie es in der Fachzeitschrift »Nature« berichtet: Er erreicht während seiner größten Annäherung an Sgr A* eine Geschwindigkeit von mehr als 25 000 Kilometern pro Sekunde, das entspricht rund acht Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Nicht nur ist er damit der schnellste bislang beobachtete Stern, er kommt dabei dem Schwarzen Loch auch so nahe, wie kein anderes bisher beobachtetes Objekt. Das macht ihn auch zum idealen Testkörper, um die Eigendrehung, den Spin, von Sgr A* erstmals direkt zu messen. Die Entdeckung gelang mit dem GRAVITY-Instrument und dessen Weiterentwicklung GRAVITY+ am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte ESO.

Am Rand des Abgrunds

S301 ist ein Hauptreihenstern vom Spektraltyp F und kommt auf etwas weniger als 1,5 Sonnenmassen. Vermutlich war er ursprünglich Teil eines Doppelsternsystems, das dem zentralen Schwarzen Loch zu nahe kam und durch dessen Gezeitenkräfte zerrissen wurde, ein Prozess, der als Hills-Mechanismus bezeichnet wird. Während der Begleiter mit so hoher Geschwindigkeit aus dem System geschleudert wurde, dass er das Milchstraßensystem möglicherweise ganz verlassen wird, wurde S301 in eine extrem enge Umlaufbahn gezwungen.

Entdeckt wurde der rasende Stern in Daten aus dem Frühjahr 2023, nur 15 Millibogensekunden nordwestlich von Sgr A* (siehe »Bahnverschiebung durch Raumzeitverdrillung«). Für einen vollständigen Umlauf um das Schwarze Loch benötigt S301 nur 8,7 Jahre. Damit unterbietet er den bisherigen Rekord von S55 und S0-102 (jeweils rund zwölf Jahre) deutlich.

Sein Periastron, den Punkt der größten Annäherung an Sgr A*, passierte S301 zuletzt im Jahr 2023. Dabei kam der Stern dem extrem massereichen Schwarzen Loch bis auf 1,78 Milliarden Kilometer oder rund zwölf Astronomischen Einheiten (AE) nahe – zehnmal näher als S2, der als einer der engsten bekannten stellaren Begleiter von Sgr A* galt. Das ist etwa vergleichbar mit der Entfernung von Saturn zur Sonne. Noch beeindruckender ist die Dynamik von S301: Aufgrund seiner extrem elliptischen Bahn – ihre Exzentrizität beträgt mehr als e = 0,98 – erreicht er im Periastron eine Spitzengeschwindigkeit zwischen 25 000 und 25 600 Kilometern pro Sekunde.

Die Vermessung der Raumzeit

Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist die Umlaufbahn eines Himmelskörpers keine exakte, geschlossene Ellipse. Sie folgt stattdessen eher einer Rosettenbahn, in der sich der Punkt der größten Annäherung des masseärmeren Objekts periodisch verschiebt. Dieser als Schwarzschild-Präzession bekannte Effekt wurde um Sgr A* bereits gemessen und tritt unabhängig davon auf, ob das Schwarze Loch rotiert oder nicht. So rückt das Periastron von S301 bei jedem Umlauf um etwa zwei Grad entlang der Rotationsrichtung des Sterns nach vorn.

Doch jedes Schwarze Loch besitzt auch einen Drehimpuls. Ein rotierendes Schwarzes Loch verdrillt die umgebende Raumzeit und zieht sie förmlich mit sich (siehe »Im Griff des Schwarzen Lochs«). Das ist der sogenannte Lense-Thirring-Effekt, oft auch als Frame-Dragging bezeichnet. Dieser Effekt macht sich umso stärker bemerkbar, je näher ein Objekt einem schnell rotierenden Schwarzen Loch kommt. Die Verdrillung verändert die Umlaufbahnen naher Sterne messbar und führt zu einer zusätzlichen Präzessionsbewegung. Für den Fall, dass Sgr A* mit seiner theoretisch maximal möglichen Geschwindigkeit rotiert, erwartet das Team einen zusätzlichen Betrag für die Verschiebung der Umlaufbahn von S301 um etwa 0,11 Grad pro Umlauf (siehe »Bahnverschiebung durch Raumzeitverdrillung«). Verfolgt man die Bahn des Sterns weiter, besteht damit eine sehr gute Chance, die Eigendrehung mit hoher Genauigkeit direkt bestimmen zu können. »Wir hoffen, mit diesem Stern innerhalb der nächsten zehn Jahre den Spin des Schwarzen Lochs messen zu können«, erklärt Felix Mang vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching.

Der Schlüssel zum Schwarzen Loch

Die direkte Messung der Rotation von Sgr A* war bisher nicht möglich, da die Auswirkungen der Raumzeitverdrillung mit der Entfernung extrem schnell abnehmen. Sterne wie S2 sind zu weit entfernt, um den Spin in einem für Menschen überschaubaren Zeitraum nachzuweisen. Indirekte Methoden über Röntgenstrahlen sind zudem ungenau und hängen von theoretischen Annahmen ab. Erst der neu entdeckte Stern S301 kommt Sgr A* nahe genug, um die direkten Effekte der Rotation sichtbar zu machen. »Da er Sagittarius A* so nahe kommt, eröffnet S301 ein neues Fenster zu den fundamentalen Eigenschaften der Raumzeit in dieser extremen Umgebung eines Schwarzen Lochs«, so Reinhard Genzel, Direktor am MPE und Nobelpreisträger.

»S301 eröffnet ein neues Fenster zu den fundamentalen Eigenschaften der Raumzeit in der extremen Umgebung eines Schwarzen Lochs.«Reinhard Genzel, Astronom und Nobelpreisträger

S301 wird sein nächstes Periastron im Jahr 2031 durchlaufen. Mithilfe von älteren Datensätzen konnte das Team die Bahn immerhin bis ins Jahr 2017 zurückverfolgen. Insgesamt liegen so 19 Positionsmessungen vor, die den Orbit des Sterns über einen Zeitraum von mehr als acht Jahren dokumentieren. Mit der Beobachtung von mindestens zwei vollständigen Umläufen soll sich die Trajektorie so genau eingrenzen lassen, dass der Lense-Thirring-Effekt nachgewiesen werden kann. Neben dem empfindlichen Instrument GRAVITY+ wird auch das momentan in Bau befindliche Extremely Large Telescope (ELT) der ESO bei der Verfolgung von S301 eine entscheidende Rolle spielen.