S301 rast so nah an Sagittarius A* vorbei wie kein bekannter Stern

Bei der größten Annäherung kommt der Stern auf rund 280 Gravitationsradien an Sagittarius A* heran. Das entspricht etwas mehr als zwölf Astronomischen Einheiten – eine Astronomische Einheit ist die mittlere Entfernung zwischen Erde und Sonne. Als Größenvergleich: S301 kommt damit ungefähr bis zur Entfernung zwischen Sonne und Saturn.

Der bisher besonders gut untersuchte Stern S2 bleibt bei seinem engsten Vorbeiflug etwa zehnmal weiter vom Schwarzen Loch entfernt. S301 unterbietet damit zugleich den bisherigen Rekord für die kürzeste bekannte Umlaufzeit um Sagittarius A* und ist der schnellste bekannte Stern der Milchstraße.

Die Form der Bahn ist entscheidend: S301 verbringt den größten Teil seiner Umlaufzeit in größerer Entfernung. Nur kurz um das Perizentrum rast er durch die Region mit besonders starken Gravitationseffekten. Genau dort können sich relativistische Veränderungen seiner Bahn besonders deutlich zeigen.

Wie S301 entdeckt und bestätigt wurde

Aufgespürt wurde der Stern mit dem Instrument GRAVITY am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte ESO. Die Beobachtung ist anspruchsvoll, weil S301 extrem lichtschwach ist und sich in einem dicht bevölkerten, hellen Feld im Zentrum der Milchstraße befindet.

Das Team bestimmte die Position von S301 in GRAVITY-Daten aus den Jahren 2023 bis 2025 und berechnete daraus zunächst eine vorläufige Umlaufbahn. Anschließend sagten die Forschenden voraus, wo der Stern in älteren Aufnahmen zu finden sein müsste. Sie konnten ihn tatsächlich in Archivdaten aus den Jahren 2021 und 2017 wiederfinden. Diese erfolgreiche Rückwärtsprognose stützt die Annahme, dass die schwache Lichtquelle tatsächlich der vorgeschlagenen Bahn folgt.

Noch fehlt allerdings eine direkte spektroskopische Messung seiner Radialgeschwindigkeit – also der Bewegung entlang unserer Sichtlinie. Die derzeitige Bahnlösung beruht deshalb vor allem auf hochpräzisen Positionsmessungen am Himmel. Spektroskopische Beobachtungen mit künftigen extrem großen Teleskopen sollen die dreidimensionale Bahn genauer bestimmen.

Warum S301 den Spin von Sagittarius A* sichtbar machen könnte

Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie kann ein rotierendes Schwarzes Loch die Raumzeit in seiner Umgebung mitziehen. Dieser als Lense-Thirring-Effekt oder Frame Dragging bezeichnete Vorgang verändert bei einem nahe vorbeifliegenden Stern allmählich die Orientierung seiner Umlaufbahn. Insbesondere kann sich die Bahnebene samt ihrem Knoten – der Schnittlinie dieser Ebene mit einer Referenzebene – verschieben.

S301 kommt Sagittarius A* nah genug, dass diese spinbedingte Präzession mit heutiger hochpräziser Infrarot-Interferometrie und künftiger Spektroskopie möglicherweise messbar wird. Aus der Stärke und Richtung dieser Veränderung könnten Forschende sowohl den Betrag als auch die Orientierung des Spins von Sagittarius A* ableiten.

Damit ließe sich ein weiterer relativistischer Effekt am galaktischen Zentrum untersuchen. Bei S2 wurde bereits die massenbedingte Schwarzschild-Präzession gemessen – eine Drehung der Bahn, die auch ein nicht rotierendes Schwarzes Loch verursachen würde. S301 könnte nun helfen zu prüfen, ob Sagittarius A* dem von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Kerr-Modell eines rotierenden Schwarzen Lochs entspricht.

Was Beobachtungen im Jahr 2031 zeigen könnten

Rund um den erwarteten Perizentrumdurchgang 2031 wären engmaschige astrometrische und spektroskopische Messungen besonders wertvoll. Sie könnten die relativistischen Veränderungen der S301-Bahn deutlich besser erfassen und möglicherweise eine direkte Bestimmung des Spins über die Lense-Thirring-Präzession ermöglichen.

Eine andere Messgröße ist deutlich schwieriger: das Quadrupolmoment des Schwarzen Lochs. Vereinfacht gesagt beschreibt es eine weitergehende Eigenschaft der Form des Gravitationsfelds, die über Masse und Spin hinausgeht. Der für S301 erwartete spinbedingte Quadrupol-Effekt soll jedoch nur etwa vier Prozent der Lense-Thirring-Wirkung betragen und gilt für diese Bahn als vernachlässigbar klein.

Deshalb lässt sich derzeit nicht begründet behaupten, dass S301 allein beim Vorbeiflug 2031 das No-Hair-Theorem eindeutig testen wird. Dieses Theorem besagt, dass ein astrophysikalisches Schwarzes Loch in der Allgemeinen Relativitätstheorie im Wesentlichen durch Masse und Spin festgelegt ist; auch sein Quadrupolmoment müsste dann einen daraus bestimmten Wert besitzen.

Für eine unabhängige Messung dieses kleinen Beitrags wären wahrscheinlich noch näher umlaufende Sterne, mehrere geeignete Sternbahnen oder eine andere Beobachtungsmethode nötig. S301 könnte damit vor allem den Weg zu einer direkten Spinmessung ebnen – ein wichtiger Schritt, aber noch kein abschließender Test aller Eigenschaften eines Kerr-Schwarzen-Lochs.