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Sternengeschichten Folge 306: Der Stern S2

S2 ist ein ziemlich langweiliger Name für einen Stern. Die deutschen Astronomen Andreas Eckart und Reinhard Genzel haben ihn 1997 ausgewählt, als sie die Geschwindigkeit von Sternen in der Nähe des Zentrums der Milchstraße untersucht haben. Sie haben die in Frage kommenden Sterne einfach der Reihe nach durchnummeriert und einer davon war eben Stern Nummer 2: S2.

Trotz des unspektakulären Namens ist S2 aber ein extrem faszinierender Himmelskörper. Der Stern ist noch sehr jung und heiß und hat ungefähr die 14fache Masse der Sonne. Das, was ihn so außergewöhnlich macht, ist allerdings der Ort an dem er sich befindet. Er befindet sich in unmittelbarer Nähe von “Sagittarius A*”. So wird die Region direkt im Zentrum der Milchstraße genannt, aus der wir jede Menge Radiostrahlung empfangen. Natürlich kein Radioprogramm mit Musik oder so 😉 Jede Menge Himmelskörper senden Radiowellen aus; das ist ja auch nichts anderes als Licht – ganz normale elektromagnetische Strahlung nur eben mit einer sehr langen Wellenlänge. Radiostrahlung kann unter anderem dann entstehen, wenn sich Materie sehr schnell durch ein starkes Magnetfeld bewegt. Und ein Ort wo das passiert, ist die Umgebung eines schwarzen Loches. Das ganze Material das in ein schwarzes Loch fällt, bildet zuerst eine Scheibe um das Loch herum. In der wirbelt es immer schneller herum bis es schließlich im Loch verschwindet. Zuerst aber heizt es sich noch stark auf und gibt dabei Strahlung ab.

S2 im Zentrum der Milchstraße (Bild: ESO/M. Kornmesser)

S2 im Zentrum der Milchstraße (Bild: ESO/M. Kornmesser)

Wie schwarze Löcher funktionieren habe ich ja schon in den Folgen 40 und 41 erklärt. Und vor allem in Folge 52, als es um die Quasare ging. So nennt man die im Radiolicht extrem hell leuchtenden Zentren ferner Galaxien. Und sie leuchten eben deswegen so enorm hell, weil sich dort sogenannte supermassereiche schwarze Löcher befinden. Wie der Name schon andeutet, sind das schwarze Löcher die enorm viel Masse haben. Einige Millionen bis einige Milliarden mal mehr als unsere Sonne. Wir gehen davon aus, dass sich solche Objekte in den Zentren aller Galaxien befinden, auch in unserer eigenen Milchstraße. Hier gehen wir allerdings mittlerweile nicht mehr nur davon aus, sondern wissen das mit Sicherheit. Und der Grund warum wir das wissen, ist der Stern S2.

Nachdem er entdeckt wurde und nachdem man festgestellt hatte, dass er sich wirklich nahe am Zentrum der Milchstraße befindet, haben die Wissenschaftler angefangen, ihn sehr genau zu beobachten. Wir sind es ja gewohnt, dass sich Sterne eigentlich nicht bewegen. Wenn wir nachts den Himmel betrachten, dann sind sie immer am gleichen Ort. Aber natürlich bewegen sich auch Sterne, nur sind sie eben so weit weg, das es uns nicht auffällt. S2 ist ebenfalls enorm weit weg; 26.000 Lichtjahre weit weg sogar. Aber so wie alle anderen Sterne bewegt auch er sich um das Zentrum unserer Milchstraße herum.

Die Sonne braucht für eine Runde ungefähr 220 Millionen Jahre. S2 ist aber viel näher am Zentrum und daher auch viel schneller. S2 braucht für eine Runde ums Zentrum nur 16 Jahre. Und deswegen konnten die Astronomen hier auch live dabei zusehen, wie der Stern dieses Zentrum umrundet. Im Früjahr 2002 erreichte der Stern seinen geringsten Abstand zum Zentrum. Er war da nur noch 17 Lichtstunden weit entfernt. Das sind umgerechnet etwa 18 Milliarden Kilometer. Was zwar viel klingt, aber astronomisch gesehen nicht so viel ist. Der am weitesten entfernte Planet in unserem Sonnensystem ist Neptun und der ist ein wenig mehr als 4 Lichtstunden von der Sonne entfernt. Der Abstand zwischen S2 und dem Zentrum der Milchstraße war 2002 als nur viermal größer als der Abstand zwischen Sonne und Neptun!

Und für die Bewegung eines Sterns gilt das gleiche, was auch für die Bewegung eines Planeten gilt. Und das hat schon Johannes Kepler zu Beginn des 17. Jahrhunderts herausgefunden. Je näher ein Himmelskörper auf seiner Umlaufbahn dem Objekt kommt, das er umkreist, desto schneller bewegt er sich. Bei S2 waren das mehr als 5000 Kilometer pro Sekunde. Deutlich schneller als die Erde, die sich mit 30 km/s um die Sonne bewegt. Mit all den Beobachtungsdaten über den Stern haben die Astronomen es dann geschafft, die komplette Umlaufbahn aufzuzeichnen. Sie wussten nun genau, auf welcher Bahn sich S2 um das galaktische Zentrum bewegt.

Umlaufbahnen von Sternen um das zentrale schwarze Loch der Milchstraße.  (Bild: ESO/L. Calçada/spaceengine.org)

Umlaufbahnen von Sternen um das zentrale schwarze Loch der Milchstraße. (Bild: ESO/L. Calçada/spaceengine.org)

Und hier kommt wieder Johannes Kepler ins Spiel. Beziehungsweise Isaac Newton. Beide haben erklärt, wie sich Himmelskörper umeinander bewegen und dank ihnen wissen wir, wie man aus der Umlaufbahn berechnen kann, wie groß die Masse sein muss, die sie umkreisen. Beziehungsweise wusste man das schon vorher. Die Masse des zentralen Objekts kann man direkt aus der Zeit berechnen, die S2 für einen Umlauf braucht und das waren ja die 16 Jahre. Daraus folgt, dass das Ding im Zentrum 4 Millionen mal schwerer als die Sonne sein muss. Da man jetzt aber auch die genaue Umlaufbahn kannte und wusste, wie nah S2 dem zentralen Objekt kam, konnte man auch abschätzen, wie groß es ungefähr sein muss. Sein Radius kann auf jeden Fall nicht größer sein als der minimale Abstand den S2 bei seiner Bewegung erreicht hat und das waren die 17 Lichtstunden die ich vorhin erwähnt habe.

Man kannte nun also die Masse des zentralen Objekts und man wusste, wie groß es höchstens sein konnte. Aus Masse und Größe kann man berechnen, wie dicht die Materie in diesem Objekt gepackt sein muss. Je mehr Masse auf einem bestimmten Raum zusammengequetscht ist, desto größer die Dichte. Und das einzige Objekt, das so viel Masse auf einem vergleichsweise so geringen Raum vereinen kann, ist ein supermassereiches schwarzes Loch!

Man war sich zwar vorher auch schon ziemlich sicher, dass da im Zentrum der Milchstraße ein riesiges schwarzes Loch sein muss. Aber rein theoretisch hätte es auch was anderes sein können; jede Menge kleinere, dunkle Objekte; kleinere schwarze Löcher zum Beispiel oder einfach ein großer Haufen Materie. Aber dann hätte S2 nicht die Umlaufbahn gehabt, die man beobachtet hatte.

Seit damals ist also absolut klar: Sagittarius A*, das Zentrum unserer Milchtstraße ist ein supermassereiches schwarzes Loch! Und die Astronomen haben natürlich nicht aufgehört, S2 weiter zu beobachten. Jetzt war die Sache erst recht interessant! S2 bietet uns eine fast einmalige Möglichkeit zu erforschen, wie sich Objekte in der Nähe einer so gewaltigen Masse verhalten. In der unmittelbaren Umgebung eines schwarzen Lochs treten all die seltsamen Effekte auf, die Albert Einstein in seiner Relativitätstheorie vorhergesagt hat. Die haben wir zwar eigentlich alle schon durch andere Beobachtungen bestätigt. Aber ein supermassereiches schwarzes Loch ist ein außergewöhnlicher Himmelskörper, so enorm kompakte Objekte mit so viel Masse gibt es anderswo nicht. Sie sind quasi ein einzigartiges Labor um die Auswirkungen extremer Gravitationsfelder zu erforschen.

Nachdem man 2002 schon einmal beobachtet hatte, wie S2 auf seiner Umlaufbahn die geringste Distanz zum schwarzen Loch erreicht, war man gespannt auf 2018. Dann, 16 Jahre später, würde der Stern wieder die Minimaldistanz zum schwarzen Loch erreichen. Übrigens: Wer mal ein wenig mit außergewöhnlichen Fremdwörtern angeben will: Der Punkt auf einer Umlaufbahn um ein schwarzes Loch der diesem schwarzen Loch am nächsten liegt, heißt in der Fachsprache “perinigricon”. 2018 war S2 dann sogar noch ein wenig näher am schwarzen Loch dran und bewegte sich daher noch schneller. Fast 7000 Kilometer pro Sekunde, ungefähr 2 Prozent der Lichtgeschwindigkeit schnell war der Stern an diesem Zeitpunkt.

Bevor es so weit war, hatten die Astronomen noch überprüft, ob S2 auch wirklich nur ein Einzelstern ist und nicht vielleicht doch ein Doppelstern. Denn sie wollten die extreme Annäherung 2018 nutzen, um einen ganz speziellen Effekt zu überprüfen. Und das geht am besten, wenn man sich nur auf einen Stern konzentrieren muss.

Eine der vielen Vorhersagen aus Albert Einsteins Relativitätstheorie besagt – vereinfacht – das Licht seine Farbe ändert, wenn es starker Gravitationskraft ausgesetzt ist. Lichtwellen, die aus dem enormen Gravitationsfeld des supermassereichen schwarzen Lochs hinaus strahlen, werden dadurch gestreckt und erscheinen uns röter als sie normalerweise sind. Mit Einsteins Theorie kann man genau vorher berechnen, wie und wann S2 seine Farbe ändern soll. Und tatsächlich machte der Stern exakt das, was er machen sollte.

S2 ändert die Farbe in der Nähe des schwarzen Lochs (Künstlerische Darstellung: ESO/M. Kornmesser)

S2 ändert die Farbe in der Nähe des schwarzen Lochs (Künstlerische Darstellung: ESO/M. Kornmesser)

Das war einerseits sehr toll, weil man nun die Relativitätstheorie auch unter äußerst extremen Bedingungen bestätigt hatte. Andererseits wäre es aber vielleicht noch ein wenig toller gewesen, hätte man ein paar Abweichungen gefunden. Denn wir wissen ja, dass wir früher oder später eine Theorie brauchen, die über die Relativitätstheorie hinaus geht und auch die Quantenmechanik inkludiert. Wir haben aber noch keine wirkliche Ahnung, wie so eine Theorie aussehen soll. Konkrete Abweichungen von Einsteins Vorhersagen könnten uns helfen, hier den richtigen Weg zu finden.

Aber wir werden S2 weiter beobachten. Unsere Instrumente werden immer besser und wer weiß, was wir noch alles entdecken, wenn wir immer genauer hinschauen. Und mittlerweile hat man auch einen Stern entdeckt, der sich dem zentralen schwarzen Loch noch weiter nähert als S2. Dieser neue Rekordhalter hat den Namen S0-102 bekommen. Aber wie wir ja gerade gesehen haben: Hinter einem langweiligen Name kann eine faszinierende Geschichte stehen!

Kommentare (8)

  1. #1 René
    5. Oktober 2018

    Ich find es einfach der Hammer, wie super gut die Relativitätstheorie Vorhersagen macht und wir versuchen selbst für die äußersten Grenzfälle (hier extrem starkes Gravitationsfeld), welche wir auf der Erde niemals experimentell bestätigen können mit der Astronomie beobachten können. Das alles ist sehr faszinierend.
    Wahrscheinlich wird der Stern kein Planetensystem haben? Durch die Nähe zu dem schwarzen Loch könnte ich mir vorstellen, dass jedes Planetensystem zu instabil wäre um sich bilden zu können. 17 Lichtstunden sind ja mal kosmologisch gesehen garnichts.

  2. #2 Aginor
    5. Oktober 2018

    Sehr interessanter Artikel, danke!
    2% der Lichtgeschwindigkeit? Wow. Das ist in der Tat schnell.

    Gruß
    Aginor

  3. #3 Captain E.
    5. Oktober 2018

    Anmerkung: Die Radiostrahlung findet Erwähnung, aber nicht, dass die Astronomen bei ihren Beobachtungen mit einem reduzierten Spektrum auskommen müssen. Infrarot geht ja auch noch, aber das allermeiste an Strahlung wird einfach von dem Zeug zwischen uns und dem galaktischen Zentrum verschluckt – sichtbares Licht inklusive.

    Und nun noch ein paar Fragen: Wie alt ist S2, und wie lange hat er noch, bis er zur Supernova wird? Und was wird dann daraus, ein Neutronenstern oder ein schwarzes Loch?

  4. #4 UMa
    5. Oktober 2018

    Was wohl ein wenig untergegangen ist:
    Dabei wurde dank astrometrischer und Radialgeschwindigkeitsmessung nicht nur die Masse von Sagittarius A* sondern auch die Entfernung mit großer Genauigkeit bestimmt.

    Sagittarius A* ist 8122 +- 31 Parsec entfernt.

    Quelle: https://arxiv.org/abs/1807.09409

    Meines Wissens ist das die mit Abstand genauste Vermessung der Größe der Milchstraße.

  5. #5 uwe hauptschueler
    5. Oktober 2018

    Zwischen 2002 und 2018 hat die maximale Umlaufgeschwindigkeit von 5000km/s auf 7000km/s zugenommen. Ist dies eine Anomalie? Wenn die Umlaufgeschwindigkeit pro Umlauf 2000km/s zunähme, dann hätte S2 vor 3,5 Umläufen stillgestanden.

  6. #6 UMa
    5. Oktober 2018

    @uwe hauptschueler
    Nein so stark verändert sich die Bahn nicht. Die maximale Umlaufgeschwindigkeit am nächsten Punkt, dem Perizentrum, war 7650km/s sowohl im Mai 2018, als auch im April 2002. Nur waren damals die Beobachtungen eher spärlich und man hat evtl. den genauen Zeitpunkt des Durchlaufs verpasst.

  7. #7 HBecker
    6. Oktober 2018

    Ist denn die Bahn von S2 um das Schwarze Loch stabil? Kann man das nach der Beobachtung von EINEM kompletten Umlauf schon sagen?

    Und wenn die Bahn nicht stabil ist, besteht die (große?) Wahrscheinlichkeit, dass S2 vom Schwarzen Loch einverleibt wird? Schließlich ist im Galaktischen Zentrum die Sternendichte sehr hoch, da sollten Störungen der Umlaufbahn durch andere Sterne nicht ausgeschlossen sein.

  8. #8 Captain E.
    8. Oktober 2018

    @HBecker:

    Auf lange Sicht erscheint es mir auch als (nahezu) unvermeidlich, aber verschwindet dann noch ein echter Stern (oder halt ein Neutronenstern) in dem großen Schwarzen Loch? Oder wird es dann bereits ein stellares Schwarzes Loch sein, das mit seinem riesigen Verwandten verschmelzen wird?