Und wieder hatte Einstein recht

Dank einer neuen Beobachtungstechnologie haben Forscher am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte einmal mehr die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein bestätigt. Sie haben gemessen, wie sich das Licht eines Sterns aufgrund der Gravitationsrotverschiebung ins Rote verfärbt, während er besonders nah am Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße vorbeifliegt.

Weltraumreporterin Felicitas Mokler im Gespräch dazu mit Stefan Gillessen aus dem Gravity-Team vom MPI für extraterrestrische Physik.

Felicitas Mokler: Es gibt Neuigkeiten vom Zentrum der Milchstraße. Doch zunächst einmal: Was ist an diesem Ort an sich so spannend für einen Astrophysiker?

Stefan Gillessen: Das Zentrum der Milchstraße ist ein ganz besonderer Ort. Mit einer Entfernung von 26 000 Lichtjahren ist es im Gegensatz zu allen anderen Galaxien vergleichsweise nahe. Dadurch kann man es sehr gut im Detail beobachten. Und daher wissen wir auch, dass dort ein schweres Schwarzes Loch sitzt. Das ist insofern bemerkenswert, weil das in jeder Galaxie heute so sein sollte und wir damit ein schönes Testlabor direkt vor unserer kosmischen Haustür haben.

Dieses Schwarze Loch ist ungefähr vier Millionen Mal schwerer als die Sonne. Zum Vergleich: Die Sonne ist Millionen Mal schwerer als die Erde, und dieses Schwarze Loch ist dann noch einmal Millionen Mal schwerer als die Sonne. – Für menschliche Verhältnisse ist das unglaublich schwer! Aber es gibt in anderen Galaxien noch viel schwerere Schwarze Löcher, die deutlich massereicher sind, etwa um einen Faktor hundert.

Was genau kann man denn messen, um auf das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße schließen zu können?

Es ist ein kombinierter Schluss. Entscheidend ist, dass man eine Masse messen kann. – Natürlich ist ein Schwarzes Loch nicht direkt sichtbar. Aber sie können sich das vielleicht so vorstellen: Wenn man an einem Wasserloch sitzt und den Löwen sehen möchte, ist das nicht ganz so einfach, weil der Löwe sich relativ gut im Busch tarnen kann. Andererseits: Alle anderen Tiere starren genau dorthin, wo der Löwe sitzt. Denn sie wollen sehen, ob der gerade schläft oder nicht. – Übertragen auf das Schwarze Loch bedeutet das, dass man dessen Wirkung auf seine Außenwelt durchaus sehr gut sehen kann. In diesem Fall ist das die starke Schwerkraft; sie beeinflusst die Bewegung der Sterne in seiner Nähe. Ganz ähnlich wie die Planeten um die Sonne, kreisen die Sterne um das Schwarze Loch. Und sie tun das in einem Zeitraum, der durchaus beobachtbar ist. Den besten Stern für solche Messungen nennen wir S2, er schafft es in 16 Jahren einmal um das Schwarze Loch herum.

Vor allem bewegen sich diese Sterne auf sehr exzentrischen Bahnen, also sehr ausgeprägten Ellipsen. Die meiste Zeit sind sie relativ weit außen, doch sie schwingen regelmäßig einmal kurz nach innen und kommen dabei dem Schwarzen Loch sehr nahe. Zu diesem Zeitpunkt bewegen sie sich sehr schnell. Genau das ist mit S2 dieses Jahr passiert. Am 19. Mai 2018 näherte er sich dem Schwarzen Loch auf den rund 1400-fachen Durchmesser des Schwarzen Loches. Das klingt bedrohlich, ist aber nicht wirklich gefährlich, denn er macht das alle 16 Jahre. Aber es ist doch nahe genug, damit die Allgemeine Relativitätstheorie auf einmal eine Rolle spielt.

Diesen Stern beobachten Sie und Ihre Kollegen ich schon seit 26 Jahren. Hat man da nicht schon einmal so einen nahen Vorbeiflug gesehen?

Ja. Den ersten Vorbeiflug haben wir 2002 beobachtet. Da war die Technologie allerdings noch nicht weit genug ausgereift, so dass wir nicht im Voraus wussten, dass dieser Vorbeiflug passieren würde. Man hat das erst im Nachhinein gesehen. Die Messungen von damals sind, wie wir heute sagen würden, von „moderater Qualität“. Insbesondere waren sie nicht genau genug, um zu zeigen, wo der Unterschied zwischen einer klassischen und einer Einstein‘schen Weltsicht liegt. Dieses Mal waren wir hingegen vorbereitet. Wir wussten ganz genau, wann wir mit entsprechender Genauigkeit hinsehen mussten. Und das haben wir getan!

Woran kann man erkennen, dass man sich tatsächlich im Gültigkeitsbereich der Allgemeinen Relativitätstheorie befindet und nicht mehr der Newtonschen Gravitation?

Es gibt verschiedene Effekte, die da auftreten. Am dominantesten ist jener, den wir jetzt auch tatsächlich beobachtet haben: die so genannte Gravitationsrotverschiebung. Wenn ein Stern, wie kürzlich S2, dem Schwarzen Loch relativ nahe kommt, kann sein Licht laut der Einstein‘schen Theorie nicht mehr so einfach dem Schwerefeld des Schwarzen Lochs entfliehen. Das Licht braucht etwas von seiner eigenen Energie, um aus dem Potenzial zu entkommen. Das macht sich nicht etwa bemerkbar, indem das Licht langsamer würde. Denn Licht bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit. Aber es verändert eben ein bisschen seine Farbe. Der Stern erscheint etwas röter als er sein sollte. Dieser Effekt ist nicht besonders groß. Aber er ist für uns doch deutlich genug gewesen, um ihn jetzt mit hoher Sicherheit zu messen.

Und das ist zum allerersten Mal?

Es ist ein absolutes Novum, dass man bei einem schweren Schwarzen Loch die Gravitationsrotverschiebung sieht, wie sie die Einstein‘sche Theorie vorhersagt. Es gibt natürlich bereits andere Messungen der Allgemeinen Relativitätstheorie dazu, beispielsweise an besonders kompakten Sternen wie dem Weißen Zwerg Sirius b. Aber das sind Objekte, die bei weitem nicht so schwer sind wie unser Schwarzes Loch. Wir haben diesen Effekt jetzt für einen Massenbereich gemessen, der zuvor überhaupt noch nicht zugänglich war. Und ich glaube auch nicht, dass es irgendwo ein anderes derartiges Schwarzes Loch gibt, bei dem man so einen Test in dieser Klarheit jemals wird durchführen können.

Astronomen unterscheiden ja zwischen unterschiedlichen Arten der Rotverschiebung. Wie lassen sich diese verschiedenen Einflüsse in den Daten voneinander unterscheiden?

Man misst in der Tat einen kombinierten Effekt. Am stärksten kommt der gewöhnliche Dopplereffekt zum Tragen: Wenn sich eine Lichtquelle von uns weg oder auf uns zu bewegt, ändert sich ihre Farbe. Das ist ganz ähnlich wie beim akustischen Dopplereffekt: Rast ein Rettungswagen vorüber, ändert sich die Tonhöhe seines Martinshorns.

Der Stern S2 bewegt sich auf seiner Bahn zunächst mit rund 4000 Kilometer pro Sekunde von uns weg. Das entspricht einem Interkontinentalflug innerhalb von nur zwei Sekunden! Diese Geschwindigkeit ändert sich dann sehr schnell auf ungefähr minus 3000 Kilometer pro Sekunde; dann fliegt der Stern auf einmal auf uns zu. Entsprechend groß ist die Dopplerverschiebung in seinem Spektrum.

Dazu kommt nun die Gravitationsrotverschiebung. Sie liegt aber nur im Prozentbereich der normalen Dopplerverschiebung. Und dann gibt es sogar noch einen weiteren Effekt, der durch die speziellen Relativitätstheoriezustande kommt. Demnach ändert sich die Farbe eines Sterns, wenn er nur schnell genug an unserer Nase vorbeifliegt, sich also gar nicht auf uns zu oder von uns fort bewegt. Dieser so genannte transversale Dopplereffekt rührt daher, dass die Lichtgeschwindigkeit für jeden Beobachter eine Konstante ist.

Man kann diese beiden schwächeren Effekte in diesem Experiment nicht trennen. Aber wir können ihre Summe messen: Wenn wir die Bahn des Sterns genau genug kennen, und das war auch genau die Hauptschwierigkeit unserer Messungen, können wir anhand dieser Daten den gewöhnlichen Dopplereffekt berechnen und ihn von der tatsächlich gemessenen Rotverschiebung abziehen. Was dann übrig bleibt, entspricht der Kombination aus Gravitationsrotverschiebung und dem Effekt aus der speziellen Relativitätstheorie. Und dabei bekommt man genau das heraus, was man anhand der Theorie berechnet hat.

Wie ließen sich denn die Positionsmessungen derart verbessern, dass dies nun geglückt ist?

Wir haben die vier Acht-Meter-Teleskope des Very Large Telescope der ESO in Chile mit einem speziellen Instrument namens Gravity zu einem Superteleskop kombiniert. Diese Technik nennt man Interferometrie. Wenn man sich in Gedanken den gesamten Berg, auf dem die Teleskope verteilt sind, als Spiegelfläche vorstellt, dann bekommt man ein Superteleskop mit 120 Meter Durchmesser. Leider ist die größte Fläche dieses Spiegels quasi schwarz angemalt und nur an vier Stellen freigegen: den vier realen VLT-Teleskopen. Aber nichtsdestotrotz ist das Auflösungsvermögen dadurch gegeben, wie weit diese Teleskope auseinander stehen. Und das sind die 120 Meter. Verglichen mit einem einzelnen 8-Meter-Teleskop gewinnt man damit einen Faktor 15 in der Positionsgenauigkeit und in der Schärfe.

Um die nötige Bildqualität zu erhalten, arbeitet Gravity außerdem mit adaptiver Optik und einer neuen Technologie, die wir als Fringe-Tracking bezeichnen. Damit lassen sich die interferometrischen Wellenüberlagerungen stabilisieren, und zwar beliebig lang. Davor konnten wir aber nur Schnappschüsse von wenigen Millisekunden aufnehmen und waren durch diese kurzen Belichtungszeiten in der Empfindlichkeit des Interferometers eigentlich auf alles eingeschränkt, was das menschliche Auge auch sehen kann. Indem wir jetzt zum ersten Mal vier Teleskope gemeinsam mit einem Fringetracker kombiniert haben, können wir nun um zehn Magnituden schwächere Objekte beobachten. Das ist fast ein Unterschied wie Tag und Nacht.

Wurde das Gravity-Instrument ausschließlich am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) gebaut?

Nein. Das MPE war zwar federführend bei diesem Projekt, aber es waren daran verschiedene europäische Partner beteiligt. Zum Beispiel LESIA, ein Zusammenschluss verschiedener Institute in Paris und Meudon, das MPI für Astronomie in Heidelberg, die Universität zu Köln und die Université de Grenoble und die Universitäten von Porto und Lissabon. Und natürlich hat die Europäische Südsternwarte (ESO) sehr viel an der Infrastruktur gearbeitet, also an den Teleskopen und Tunnels für die Strahlengänge.

Eine der Hauptschwierigkeiten bei solchen Beobachtungen ist es, dass irgendwelche Dinge wackeln: Irgendjemand montiert an einen Computer einen Lüfter; dieser Lüfter bringt dann irgendeine Struktur zum Vibrieren, und das zerstört die interferometrischen Signale. Da war sehr viel Arbeit notwendig, um bei diesen großen Maschinen alle Vibrationen zu beseitigen. – Und wir hatten eine harte Deadline, gegen die wir arbeiten mussten. Denn wir wussten genau: Im Mai 2018 fliegt der Stern S2 vorbei, und wir müssen im Jahr 2017 anfangen zu messen. Es gab keine Gnadenfrist; sonst hätten wir 16 Jahre warten müssen!

Reisen Sie selber auch zum Beobachten nach Chile?

Viel zu häufig. Unser Team reist monatlich für zehn Tage da hin. Ich selbst war dieses Jahr fünf Mal dort.

Die Beobachtungen laufen also nicht ferngesteuert per Computer oder unterstützt durch einen Assistenten? Sind sie so komplex?

Zum einen ist das eine komplexe Aufgabe. Zum anderen ist Teleskopzeit zu wertvoll. Das ist ja nicht irgendein Observatorium, sondern das weltweit beste. Und wenn man mit Gravity beobachtet, sind wirklich die vier großen Teleskope des VLT für uns allein im Einsatz. Da möchte man wirklich das Optimum herausholen und vermeiden, dass irgendwelche Fehler passieren. Und das können wir als diejenigen, die das Instrument gebaut haben, am besten. Und wir wissen auch genau, was wir wissenschaftlich wollen. Und das geht letztlich über Telefon oder Videoanrufe oder Emails nicht so gut, als wenn man stattdessen vor Ort ist. – Und verglichen mit dem Wert der Teleskopzeit ist so eine Reise ziemlich billig.

Und noch ein Aspekt, der mich sehr wichtig ist: Das war ein großes Team, das über die Jahre hinweg auf diese Messungen hingearbeitet hat. Vielleicht nicht ganz so groß, wie die aktuellen Kollaborationen am CERN: Aber die Autorenliste in der Veröffentlichung spricht für sich. Wirklich jeder hat in den letzten zehn Jahren einen signifikanten Teil seiner Arbeitszeit in das Gravity-Projekt gesteckt.

Was macht die Konkurrenz? Zu den Sternorbits gibt es bereits seit Jahren auch Messungen von einer unabhängigen Gruppe in den USA.

Spektroskopie können unsere Kollegen vermutlich ähnlich gut machen wie wir. Aber sie haben kein Gravity-Instrument und keine vier Teleskope, die sie kombinieren können. Daher kennen sie vermutlich den Orbit noch nicht so genau, um mit der gleichen Sicherheit sagen zu können, wie groß die Gravitationsrotverschiebung ist. Aber sie werden den Effekt auch beobachten; das ist eine Frage der Zeit: Wenn man die Sternenbahn nur lange genug verfolgt, wird die Genauigkeit auch immer besser. Aber diesbezüglich sind unsere Daten dank Gravity konkurrenzlos.

Ist eine solche wissenschaftliche Konkurrenz auf eine gewisse Art positiv und inspirierend oder hat sie auch negativen Auswirkungen?

Also für die Erforschung des galaktischen Zentrums war das absolut belebendes Element. Beiden Gruppen haben mit Nachdruck versucht, die nächste interessante Messung jeweils am besten durchzuführen. – Mit einem Instrument wie Gravity stehen wir nun vor einer neuen Situation: Das kann man wirklich nur an einer Stelle auf der Welt machen, nämlich am VLT. Dadurch tritt eine ganz neue Schwierigkeit auf: Wir müssen unsere Arbeit intern noch viel besser kontrollieren, als wenn es noch jemand anderes gibt, der gleich gut ist. Denn im Zweifelsfall korrigiert der andere einen selbst schon. Aber so ein Korrektiv kann es jetzt nicht geben. – Das ist vielleicht ganz ähnlich wie bei den aktuellen Experimenten am Large Hadron Collider am CERN. Dort müssen die Forscher auch ihre interne Qualitätskontrolle sehr ernst nehmen, damit die Außenwelt ihnen trotzdem glaubt.

Zum Schluss noch eine persönliche Frage: Wie sind sie zur Astronomie gekommen? Während des Studiums oder schon früher?

Bereits als Junge. Mein Vater hatte glücklicherweise ein kleines Teleskop und hat damit ab und zu an den Himmel geschaut. Dann habe ich auch mal selbst durchgeschaut, und es interessierte mich. Ich wollte dann Physik studieren, um Astronomie machen zu können. – Meine erste Beobachtung, an die ich mich erinnern kann, war vermutlich die Bewegung der Jupiter-Monde um ihren Planeten. Irgendwie bin ich da ja nicht viel weiter gekommen: Jetzt schaue ich mir Sterne an, die um ein Schwarzes Loch herumfliegen. Nur mit einem größeren Teleskop. Das Thema ist aber ganz ähnlich geblieben. Die Faszination hat also offensichtlich weit über dreißig Jahre getragen!

Herzlichen Dank für das Gespräch.