Unter den extremen Bedingungen im Herzen der Milchstraße können mitunter ziemlich seltsame Dinge geschehen.
Und mit seltsam meinen wir nahezu unvorstellbar verrückt.
Es beherbergt ein supermassives Schwarzes Loch namens Sagittarius A*, dessen Masse etwa 4,3 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne.
Auch wenn dies für ein supermassereiches Schwarzes Loch ein vergleichsweise bescheidener Wert ist, rufen die Gravitationskräfte in seiner unmittelbaren Umgebung ein eher unvorhersehbares Verhalten bei den Sternen hervor, die es bewohnen.
Und nun haben Astronomen ein Objekt entdeckt, das alle anderen in den Schatten stellt.
Wie in einem neuen Zeitschriftenartikel beschrieben Natur , S301 befindet sich auf einer unglaublich schnellen Umlaufbahn von 8,7 Jahren um Sgr A* und erreicht bei seiner größten Annäherung an das Schwarze Loch eine Spitzengeschwindigkeit von mehr als 25.000 Kilometern (15.534 Meilen) pro Sekunde, in einer Entfernung, die mit der zwischen Saturn und der Sonne vergleichbar ist.
Das sind ganze 8,5 Prozent der Lichtgeschwindigkeit – und schließlich ist es nah genug dran, um Messungen durchzuführen, die schwer fassbare Eigenschaften von Sgr A* selbst enthüllen könnten, zuerst seinen Spin und dann, ob es der berühmten Theorie gehorcht, dass Schwarze Löcher keine "Haare" haben.
«Das galaktische Zentrum ist wie ein entferntes Labor, und die Sterne sind die Messsonden», sagte Astrophysiker Felix Mang vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Deutschland, ein Mitglied der GRAVITY+-Kollaboration, die den Stern analysierte, gegenüber ScienceAlert.
«Unsere Messungen (bei einer bestimmten Genauigkeit) erreichen das Niveau des Sterns, der SgrA* am nächsten liegt. Jetzt, da wir im Wesentlichen eine Sonde haben, mit der wir die Krümmung der rotierenden Raumzeit um dieses massereiche Schwarze Loch messen können, ist das einfach unglaublich cool.».
Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ist schwer zu erforschen. Da Schwarze Löcher kein sichtbares Licht aussenden, ist das Verhalten der Objekte in ihrer Umgebung das beste Mittel, sie zu untersuchen.
Das Objekt um Sgr A* ist äußerst interessant. Es ist von einem Schwarm von Sternen umgeben, die sich auf elliptischen, schleifenförmigen Umlaufbahnen bewegen. Wissenschaftler haben diese Umlaufbahnen in der Vergangenheit genutzt, um die Eigenschaften des Schwarzen Lochs zu messen und die allgemeine Relativitätstheorie in einer der extremsten Umgebungen, die wir beobachten können, zu testen.
Einer der Sterne, S2, erwies sich als besonders nützlich.
Seine 16-jährige Umlaufbahn, die den Stern im Jahr 2018 bis auf 17 Lichtstunden an das galaktische Zentrum herangeführt hat, erlaubte es Astronomen, seine Gravitationsrotverschiebung und Schwarzschild-Präzession zu messen – Effekte, die durch die enorme Masse von Sgr A* verursacht werden.
Der S301 hebt den Nervenkitzel, in ein Schwarzes Loch zu fahren, auf ein ganz neues Niveau.
Durch seine unglaublich exzentrische Umlaufbahn gelangt es etwa 10 Mal näher an Sgr A* als an S2 und stürzt rasch in das Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs, wo es – wie eine Achterbahn, die in den Abgrund stürzt – auf seine schwindelerregende Höchstgeschwindigkeit beschleunigt, bevor es wieder herausschießt.
Und wie bei einer Achterbahnfahrt liegt der Nervenkitzel dieser Fahrt nicht allein in der Höchstgeschwindigkeit. Entscheidend ist, was unterwegs passiert.
Im Punkt der größten Annäherung, dem Periapsis, ist S301 so nah an Sgr A*, dass es die Raumzeit selbst durchdringt, mitgezogen von der Rotation des Schwarzen Lochs – als würde man eine Gabel in eine Schüssel Spaghetti stecken und sie darin drehen.
Dieses Phänomen ist als «Frame-Pull»-Effekt oder Lenz-Thirring-Effekt bekannt.
Diese Rotationsbewegung sollte die Umlaufbahn von S301 nur geringfügig verändern. Wissenschaftler können genau berechnen, wie die Umlaufbahn von S301 ohne den Einfluss des tiefen Eintauchens in die Lense-Thirring-Region ausgesehen hätte; der Vergleich dieser Vorhersage mit der veränderten tatsächlichen Umlaufbahn liefert einen Ausgangspunkt für die Rückrechnung der Rotation von Sgr A*.
Dies könnte uns der Überprüfung des No-Hair-Theorems näher bringen, das besagt, dass bei einem effektiv ungeladenen Schwarzen Loch, wenn man seine Masse und seinen Spin kennt, alle anderen Eigenschaften seines Gravitationsfeldes allein aus diesen Eigenschaften vorhergesagt werden können.
«Unsere Gruppe hat die Masse von Sgr A* bereits bis auf einen Bruchteil eines Prozents genau gemessen», sagte Mang gegenüber ScienceAlert.
«Die Untersuchung der Rotation wäre der nächste Schritt zum Beweis des No-Hair-Theorems, und insbesondere die Rotation eines massereichen Schwarzen Lochs ist beispiellos.».
Rotationsmessungen allein reichen nicht aus, um diese Frage zu klären. Doch mit genügend Beobachtungen könnte die Umlaufbahn von S301 möglicherweise ein weiteres Merkmal des Gravitationsfeldes von Sgr A* offenbaren, nämlich sein Quadrupolmoment.
Die allgemeine Relativitätstheorie sagt anhand der Masse und des Spins des Schwarzen Lochs präzise voraus, welche Dimension es haben sollte. Stimmen die Beobachtungen mit diesen Vorhersagen überein, wird Sgr A* einen wichtigen Test des No-Hair-Theorems bestehen.
Vielleicht hat der S301 noch eine andere unglaubliche Geschichte zu erzählen.
Die extrem exzentrische Umlaufbahn deutet darauf hin, dass der Stern einst Teil eines Doppelsternsystems gewesen sein könnte, das Sgr A* zu nahe kam. In einem als Hills-Mechanismus bekannten Prozess kann ein Schwarzes Loch ein solches Paar auseinanderreißen, indem es einen Stern in eine enge Umlaufbahn zieht und den anderen mit enormer Geschwindigkeit ausstößt.
Dies könnte erklären, wie S301 auf seine derzeitige extreme Flugbahn gelangte, obwohl seine Umlaufbahn allein nicht ausreicht, um dieses Szenario zu bestätigen.
Ein weitaus überzeugenderer Beweis wäre es, wenn sich der längst verschollene ehemalige Begleiter vom galaktischen Zentrum entfernen würde.
Und da die Umlaufbahn so kurz ist, müssen wir nicht lange warten. S301 wird Ende 2031 wieder den Periapsis erreichen, wenn der Einfluss der Rotation auf seine Umlaufbahn am stärksten sein wird.
Die GRAVITY+-Kollaboration wird die Beobachtung von S301 fortsetzen, und das kommende MICADO-Instrument am Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte sollte Astronomen dabei helfen, seine Bewegung in drei Dimensionen zu rekonstruieren.
Zum Thema: Möglicherweise lauert im Herzen der Milchstraße etwas weitaus Düstereres als ein Schwarzes Loch.
Zusammengenommen werden diese Beobachtungen dem Team ermöglichen, die Rotation von Sgr A* im Laufe des nächsten Jahrzehnts genau zu bestimmen.
Und in den tiefsten Tiefen der Milchstraße mögen weitere Schätze verborgen sein.
«Wir gehen davon aus, dass es im galaktischen Zentrum noch mehr Sterne wie S301 gibt, und wenn wir einen finden, wird es noch einfacher, die Rotation zu messen», sagte Mang.
«Die Signalstärke wird nicht mehr allein von der relativen Ausrichtung der Rotationsachse des Schwarzen Lochs und der Umlaufbahn von S301 abhängen.».
Die Ergebnisse der Entdeckung wurden veröffentlicht in Nature-Magazin .
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