Die Wissenschaftler um Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München hatten den Stern S2 ins Visier genommen und genau verfolgt, wie er das extrem massereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Heimatgalaxie passierte. Ihre Beobachtungen mit dem «Very Large Telescope» (VLT) der Europäischen Südsternwarte Eso in der chilenischen Atacama-Wüste stellen die Forschenden im Fachblatt «Astronomy & Astrophysics» vor.
Die bereits bei anderen Objekten beobachtete Gravitations-Rotverschiebung gilt als wichtiger Test der Relativitätstheorie.
Der Stern S2 umrundet das 26'000 Lichtjahre entfernte zentrale Schwarze Loch im Zentrum der Milchstrasse etwa alle 15 Jahre. Auf seiner eiförmigen Bahn nähert er sich bis auf 14 Milliarden Kilometer an das Schwarze Loch an - das entspricht ungefähr dem dreifachen Abstand des äussersten Planeten unseres Systems, Neptun, zur Sonne.
Der Stern wird dabei sehr schnell, er erreicht ein Tempo von mehr als 25 Millionen Kilometern pro Stunde, fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Nach Einsteins vor mehr als 100 Jahren veröffentlichten Theorie sollte das Licht des Sterns durch die starke Gravitationskraft des Schwarzen Lochs etwas röter werden - die Lichtwellenlänge wächst. Genau diesen Effekt haben die Forscher nun beobachtet.
Die Entdeckung dieser Gravitationsrotverschiebung sei der Höhepunkt einer insgesamt 26-jährigen Beobachtungskampagne, unterstrich die Max-Planck-Gesellschaft in einer Mitteilung. «Wir haben seit einer Dekade gezielt danach gesucht und das Experiment vorbereitet», berichtete Genzel.
«Das ist das zweite Mal, dass wir den nahen Vorbeiflug von S2 um das Schwarze Loch in unserem galaktischen Zentrum beobachtet haben. Aber diesmal konnten wir den Stern aufgrund der deutlich verbesserten Instrumentierung mit bisher unerreichter Detailauflösung verfolgen.»
Ko-Autor Stefan Gillessen vom Garchinger Institut ergänzt: «Damit konnten wir den Stern auf seiner Umlaufbahn extrem genau verfolgen und schliesslich die gravitative Rotverschiebung im Spektrum von S2 nachweisen.»
Es ist nicht der erste Nachweis der Gravitationsrotverschiebung. Der Effekt liess sich in schwächeren Gravitationsfeldern etwa bereits bei der Sonne, dem Stern Sirius und mit Hilfe der Gammastrahlung einer radioaktiven Quelle in einem irdischen Labor nachweisen.
Auch bei sogenannten Aktiven Galaxienkernen, die ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum haben, gibt es entsprechende Messungen von Spektrallinien, wobei die Strahlungsquelle nach Angaben des Instituts jedoch nicht so nah am Schwarzen Loch lag wie bei den jetzt vorgestellten Messungen aus dem Zentrum der Milchstrasse. Mit den neuen Beobachtungen konnten die Forscher den Effekt nun präzise unter neuen Bedingungen nachweisen: einem Stern im Schwerefeld eines supermassereichen Schwarzen Lochs.
Einsteins Relativitätstheorie beschreibt unter anderem, wie massereiche Körper die Raumzeit verzerren. Heute zählt die Allgemeine Relativitätstheorie gemeinsam mit der Quantenmechanik zu den grossen physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts.