S301 rast mit 25.000 km/s um das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße

Ein Stern als kosmische Messsonde

S301 ist ein lichtschwacher Stern auf der bislang engsten und schnellsten bekannten Umlaufbahn um Sagittarius A* (Sgr A*), das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Bei seiner größten Annäherung dürfte S301 eine Geschwindigkeit von etwa 25.000 Kilometern pro Sekunde erreichen – rund 8 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Dabei kommt er dem Schwarzen Loch bis auf ungefähr zwölf Astronomische Einheiten nahe, also etwa zwölf mittlere Entfernungen zwischen Erde und Sonne.

Die eigentliche Bedeutung der Entdeckung liegt jedoch nicht allein im Rekordtempo. Entscheidend ist, dass S301 Sgr A* ungewöhnlich nahe kommt. Die Bahn des Sterns könnte Astronomen damit eine neue Möglichkeit bieten, die Rotation des Schwarzen Lochs zu bestimmen und Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie in einem extrem starken Gravitationsfeld zu überprüfen.

Eine extrem langgestreckte Bahn von 8,7 Jahren

S301 bewegt sich auf einer stark gestreckten, beinahe nadelförmigen Ellipse. Für einen vollständigen Umlauf benötigt der Stern etwa 8,7 Jahre. Sagittarius A* liegt nahe einem Ende dieser Ellipse – dort schwenkt S301 durch seinen sonnennächsten, beziehungsweise in diesem Fall schwarzen-loch-nächsten Punkt, den sogenannten Perizentrum.

Die berechnete Entfernung im Perizentrum beträgt ungefähr 12 Astronomische Einheiten. Das entspricht grob der Entfernung zwischen Sonne und Saturn und etwa 280 Gravitationsradien in der für die Bahn angegebenen Messung.

Auf dem Weg zum Schwarzen Loch wird S301 durch dessen Gravitation stark beschleunigt. Mit einer erwarteten Spitzengeschwindigkeit von rund 25.000 km/s gilt er als der schnellste bislang beobachtete Stern in der Milchstraße und zugleich als die bislang nächstgelegene bekannte stellare Sonde von Sagittarius A*.

S301 ist außerdem außergewöhnlich lichtschwach: Seine Helligkeit im K-Band wird mit etwa 19,3 Magnituden angegeben. Forschende stufen ihn wahrscheinlich als Hauptreihenstern ein, doch die geringe Helligkeit erschwert eine genaue Bestimmung seiner Eigenschaften.

Entdeckt im Jahr 2023 – rückverfolgt bis 2017

Das GRAVITY-Team entdeckte S301 im Frühjahr 2023 mit dem Instrument GRAVITY am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte ESO. Zunächst erschien der Stern rund 15 Millibogensekunden nordwestlich von Sgr A*. In den folgenden Beobachtungen bewegte er sich nach außen – schnell und mit einer leichten Krümmung seiner Bahn.

Nachdem die Forschenden aus den Messungen von 2023 eine vorläufige Umlaufbahn abgeleitet hatten, berechneten sie, an welcher Stelle S301 in früheren Beobachtungen hätte erscheinen müssen. Dort fanden sie den Stern anschließend in GRAVITY-Archivdaten aus dem Jahr 2021 und schließlich auch aus dem Jahr 2017. Die längere Beobachtungsbasis stützt die Interpretation als extrem enger Orbit.

Die Bahn ist dennoch noch nicht endgültig bestimmt. Insbesondere fehlt bislang eine Messung der Radialgeschwindigkeit – also der Bewegung des Sterns entlang unserer Sichtlinie. Künftige Beobachtungen sollen deshalb seine dreidimensionale Bewegung und die wichtigsten Bahndaten genauer erfassen.

Wie S301 den Spin des Schwarzen Lochs verraten könnte

Ein rotierendes Schwarzes Loch zieht nicht nur Materie durch seine Gravitation an. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie nimmt es auch die Raumzeit in seiner Umgebung gewissermaßen mit. Dieser Effekt wird als Frame-Dragging oder Lense-Thirring-Präzession bezeichnet.

Für einen umlaufenden Stern kann das bedeuten, dass sich die Orientierung seiner Bahnebene im Laufe der Zeit allmählich verändert. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt unter anderem von der Entfernung zum Schwarzen Loch ab – und nimmt mit wachsendem Abstand rasch ab. Gerade S301s kleiner Abstand im Perizentrum macht den Stern daher besonders empfindlich für die Rotation von Sgr A*.

Durch wiederholte hochpräzise Positionsmessungen könnten Astronomen nach den kleinen, sich aber mit der Zeit aufaddierenden Veränderungen suchen, die ein rotierendes Schwarzes Loch verursacht. Anschließend ließen sich diese Abweichungen mit der erwarteten Bahn eines nicht rotierenden Schwarzen Lochs vergleichen.

Das wäre allerdings eine künftige Messung, kein bereits erzielter Nachweis. Beobachtungen bis zum erwarteten nächsten Perizentrum Ende 2031 und ungefähr ein Jahrzehnt darüber hinaus könnten zeigen, ob die angesammelten Bahnveränderungen eher zu einem schnell rotierenden oder zu einem nicht rotierenden Sagittarius A* passen.

Ein noch anspruchsvollerer Test: das No-Hair-Theorem

Langfristig könnte S301 sogar für einen noch schwierigeren Test genutzt werden: die Messung des Quadrupolmoments des Schwarzen Lochs. Es beschreibt, wie die Rotation die Form des Gravitationsfelds über die einfachen Eigenschaften Masse und Spin hinaus beeinflusst.

In der Kerr-Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie werden die von außen messbaren Eigenschaften eines isolierten Schwarzen Lochs im Wesentlichen durch seine Masse und seinen Spin bestimmt. Eine elektrische Ladung dürfte bei einem astrophysikalischen Schwarzen Loch vernachlässigbar klein sein. Die Überprüfung des vorhergesagten Zusammenhangs zwischen Spin und Quadrupolmoment würde daher das sogenannte No-Hair-Theorem testen.

Eine solche Messung ist deutlich schwieriger als die Bestimmung des Spins. Das Signal des Quadrupolmoments ist schwächer und könnte mit Gravitationsstörungen durch andere Sterne oder bislang unentdeckte kompakte Objekte im Zentrum der Milchstraße verwechselt werden. Die Forschenden sehen darin deshalb ein mögliches langfristiges Ziel – kein garantiert erreichbares Ergebnis.

Was nun folgt

Zunächst müssen Astronomen S301 weiterverfolgen und die vorläufige Umlaufbahn verbessern. Zusätzliche Messungen könnten seine Bewegung entlang der Sichtlinie bestimmen, den Zeitpunkt und die Entfernung des Perizentrums präzisieren und relativistische Effekte von Unsicherheiten in der Umgebung des galaktischen Zentrums unterscheiden.

Wenn sich die berechnete Bahn bestätigt, wird S301 zu einer außergewöhnlich empfindlichen Messsonde dafür, wie ein supermassereiches Schwarzes Loch rotiert und wie diese Rotation die Raumzeit in seiner Nähe beeinflusst. Der Geschwindigkeitsrekord ist die spektakuläre Schlagzeile – der eigentliche wissenschaftliche Wert liegt darin, dass aus einem lichtschwachen, rasenden Stern ein Präzisionsinstrument für Sagittarius A* werden könnte.