Zum Physik-Nobelpreis 2020

Wettlauf zum finsteren Herz der Milchstraße

Von Roland Wengenmayr
10.12.2020
, 13:18
So schwer wie vier Millionen Sonnen: Das schwarze Loch Sagittarius A* im Herzen der Milchstraße
Im Zentrum unserer Galaxis lauert ein gigantisches Schwarzes Loch. Die Wissenschaftler, die das Massenmonster aufspüren konnten, sind jetzt offiziell mit dem Physik-Nobelpreis geehrt worden – wenn auch nicht in Stockholm.
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Jedes Jahr am 10. Dezember werden in Stockholm in Gegenwart des schwedischen Königspaars die Nobelpreise verliehen, abgesehen vom Friedensnobelpreis.

Normalerweise alles ganz feierlich und mit prunkvollem Bankett. Die Pandemie erzwingt jedoch eine Verschiebung auf bessere Zeiten, übergeben werden die Preise nun in kleinen Zeremonien in den schwedischen Botschaften. „Es sind verrückte Zeiten“, seufzt Reinhard Genzel. Der Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching teilt sich eine Hälfte des Physik-Nobelpreises mit seiner amerikanischen Kollegin Andrea Ghez, Professorin für Astronomie an der University of California in Los Angeles, UCLA. Die andere Hälfte erhält der Brite Sir Roger Penrose. Der theoretische Physiker zeigte in den sechziger Jahren, dass genügend Materie unter realistischen Bedingungen zu Schwarzen Löchern kollabieren kann.

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Tatsächlich lauert ein riesiges Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxis. Aufgespürt wurde es in einem über Jahrzehnte andauernden wissenschaftlichen Marathonlauf. In der entscheidenden Phase war es ein Wettrennen zwischen Genzels europäischem Team und dem amerikanischen um Ghez. Die währenddessen zusammengetragenen Puzzleteile ergeben ein faszinierendes Bild vom Herzen unserer Milchstraße: Könnte man das dort in Sagittarius A* verborgene Schwarze Loch auf eine Balkenwaage legen, brauchte man als Gegengewicht rund vier Millionen Kopien unserer Sonne.

Der deutsche Astronom Reinhard Genzel ließ sich in Amerika von smarten Schraubern inspirieren.
Der deutsche Astronom Reinhard Genzel ließ sich in Amerika von smarten Schraubern inspirieren. Bild: Florian Peljak

Allerdings muss unser eigenes galaktisches Monster seit Jahrmilliarden darben, längst hat es sich fast alle Materie ringsherum einverleibt. Für ein Schwarzes Loch sei es daher „ziemlich langweilig“, sagt Genzel und lacht. Pro Tag fällt nur eine geringe Menge hinein, wie es ungefähr der Masse eines Kometen oder Asteroiden entspricht. Zum Glück, denn die Erde ist mit rund 26000 Lichtjahren Abstand nur einen astronomischen Katzensprung entfernt. Wäre das Schwarze Loch maximal aktiv, würde dessen harte Strahlung hochenergetischer Teilchen – eine Art elektromagnetischer Todesschrei der hineinstürzenden Materie – wahrscheinlich alles irdische Leben auslöschen.

Technische Meisterleistungen und jahrzehntelange Fleißarbeit

Paradoxerweise ist das Herz unserer Milchstraße jedoch nicht finster, ganz im Gegenteil. Wäre man dort, wäre der Himmel „unfassbar hell“, beschreibt es Tuan Do. Der junge Astronomieprofessor aus Los Angeles arbeitet seit Jahren eng mit Andrea Ghez zusammen und sprang ein, als sie plötzlich doch keine Zeit mehr für ein Gespräch hatte. Den Himmel um Sagittarius A* veranschaulicht Do im Vergleich zu unserer Nachbarschaft: Der nächste Stern, Proxima Centauri, ist rund vier Lichtjahre entfernt, und innerhalb einer imaginären Kugel mit diesem Radius um uns herum gibt es folglich keinen Stern, nur unsere Sonne. „Im Zentrum der Galaxie gäbe es in diesem Volumen jedoch eine Million Sterne“, erklärt Do.

Der Vater der Schwarzen Löcher, Roger Penrose, mit seiner Nobelpreis- Medaille, die er in London vom schwedischen Botschafter überreicht bekam.
Der Vater der Schwarzen Löcher, Roger Penrose, mit seiner Nobelpreis- Medaille, die er in London vom schwedischen Botschafter überreicht bekam. Bild: dpa

Der Blick in dieses Zentrum erforderte eine technische Meisterleistung und jahrzehntelange Fleißarbeit. Von der Erde aus gesehen, liegt es hinter einem dichten Schleier aus Gas und Staub, denn unser blauer Planet befindet sich im äußeren Bereich, auf einem Spiralarm der Milchstraße. Doch im nah-infraroten Spektrum öffnet sich ein Fenster, in dem der kosmische Nebel durchsichtig wird. Das war bereits im Jahr 1980 klar, als Reinhard Genzel als damals 28-jähriger Postdoktorand zur Forschungsgruppe von Charles Townes im kalifornischen Berkeley stieß. Dieser hatte 1964 gemeinsam mit seinem Kollegen Art Schawlow den Physik-Nobelpreis für die Erfindung des Laserprinzips erhalten. Als Nobelpreisträger genoss Townes die Freiheit, in das Fach der Astronomie wechseln zu können, und begann in den siebziger Jahren, Sagittarius A* zu erforschen. Zu dieser Zeit war das Objekt als helle Quelle von Radiostrahlung bekannt; 1971 schlugen die britischen Astronomen Donald Lynden-Bell und Martin Rees vor, dass sich dort ein großes Schwarzes Loch befinden könnte. Tatsächlich gelang Townes mit seiner Gruppe bald der Nachweis, dass in Sagittarius A* ein superschweres Objekt sitzen muss: anhand von Gas, das dort von der starken Gravitation auf mehrere hundert Sekundenkilometer beschleunigt wird. Allerdings waren diese Daten noch zu ungenau, um als einzige mögliche Erklärung für das Phänomen ein Schwarzes Loch zu liefern.

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Das aber zu beweisen, das wurde zur wissenschaftlichen Lebensaufgabe von Reinhard Genzel. Seine Motivation, sich in Berkeley zu bewerben, erzählt Genzel, sei nicht nur der große Name gewesen, Townes habe auch eine ganz neue Art von Astronomie etabliert. Zuvor habe es in der klassischen optischen Astronomie nur so etwas wie einen wissenschaftlichen „Hohepriester“ gegeben, der die Beobachtungen mache und interpretiere, sagt Genzel: „Und außerdem ein paar Männeken, die die Maschinen ölen.“ Experimentalphysiker wie Townes hingegen hätten sich eben auch selbst die Hände schmutzig gemacht. Und diese Kultur des smarten Schraubens zog Genzel an. Er legte früh eine steile Karriere hin und wurde 1986, gerade mal 34 Jahre alt, als Direktor an das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching berufen. Dort verfolgte er hartnäckig sein Ziel, durch das Nah-Infrarot-Fenster Aufnahmen von Sagittarius A* zu machen. In diesem Spektralbereich sollten einzelne Sterne in Nähe des Massemonsters auszumachen sein; ihre Bahnen würden es erlauben, dessen Größe einzugrenzen. Dafür ist eine Art Infrarotkamera an einem großen Spiegelteleskop nötig, obwohl Forscher dann lieber von Detektoren sprechen. In den Achtzigern war solch eine Infrarottechnik aber noch Militärgeheimnis, denn damit ließen sich feindliche Flugzeuge und Raketen anhand ihres heißen Abgasstrahls aufspüren. Der zivilen Forschung blieb der Zugang zunächst verschlossen.

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Mit Ende des Kalten Krieges brachte Townes aber Bewegung in die Geschichte, mit seinen exzellenten Kontakten zum amerikanischen Militär, so erzählt es Genzel heute. Kaum war eine Infrarotkamera für den Bau des zivilen Hubble-Weltraumteleskops freigegeben, kam mit Townes’ Unterstützung auch Genzel an ein Gerät heran. Er rief den damaligen Direktor der Europäischen Südsternwarte Eso an, sobald der Export genehmigt war. Die Eso hatte gerade das New Technology Telescope (NTT) in Chile gebaut, und Genzel überzeugte den Direktor davon, dass er den neuen Nah-Infrarot-Detektor dort einbauen durfte, um seine eigenen Beobachtungen zu starten.

Andrea Ghez mit ihrer Auszeichnung am Dienstag in Los Angeles.
Andrea Ghez mit ihrer Auszeichnung am Dienstag in Los Angeles. Bild: Reuters

Das NTT besitzt einen Spiegel von etwa 3,6 Meter Durchmesser und wurde zum Erprobungsträger für eine radikal neue Technologie. Davor nutzten optische Großteleskope tonnenschwere Glasklötze als Spiegel zum Einsammeln und Fokussieren des Sternenlichts. Aber diese traditionelle Technik war bei Spiegeldurchmessern von mehr als fünf bis sechs Metern nicht mehr beherrschbar. Für den Bau noch größerer optischer Teleskope, die feinere Details aufnehmen können, gab es nur eine Lösung: einen dünnen Spiegel aus Segmenten, aktiv in Form gehalten durch bewegliche Hebel hinter der Spiegelfläche. Diese Bauweise ermöglichte in den späteren neunziger Jahren auch den nächsten Technologiesprung, die adaptive Optik. Für die wird der Spiegel so gezielt „verbeult“, dass er sich aktiv an die vom Luftflimmern gestörten Wellenfronten des ankommenden Lichts schmiegt. Dadurch werden die verzerrten Bilder nun scharf „gezogen“.

Die lange Jagd auf Sagittarius A*

Mit dem aufgerüsteten NTT gelang es Genzels Gruppe 1992, die ersten Aufnahmen von Sternen nahe am mutmaßlichen Schwarzen Loch zu fertigen. Auf Sagittarius A* wurde regelrecht Jagd gemacht, und 1995 nahm eine 30-jährige Assistenzprofessorin in Kalifornien auf ihre Weise die Fährte auf: Andrea Ghez konnte die für das Keck-Teleskop in Hawaii zuständige Administration von ihrem Projekt überzeugen. Damit stand ihr auf dem 4200 Meter hohen Mauna Kea ein optisches Teleskop zur Verfügung, das dieselbe moderne Technik wie das NTT nutzt, aber mit zehn Meter Durchmesser wesentlich größer ist. Auch eine Nah-Infrarot-Kamera war schon installiert, die Ghez nur für ihre Zwecke umbauen musste. „Andrea hat absolut die Leidenschaft, diese Arbeit erfolgreich voranzubringen“, sagt Tuan Do.

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Und es ging Schlag auf Schlag. Genzels Team konnte erstmals die rasante Bewegung von Sternen in nächster Nähe zu Sagittarius A* vermessen; der hellste, S2, wurde fortan zum zentralen Beobachtungsobjekt. Ghez’ Team wiederum konnte zeigen, dass sich diese Sterne tatsächlich im Gravitationsfeld von Sagittarius A* auf gekrümmten Bahnen bewegen. Offen blieb, ob die Sterne nur abgelenkt werden – auf ihrem Weg an dem superschweren Objekt vorbei, oder ob sie in geschlossenen Ellipsen herumlaufen. Letzteres wäre von Vorteil, weil sich über die Bahnen das Volumen eingrenzen ließe, in dem sich das Objekt versteckt. Genau das konnten Genzel und seine Mitarbeiter im Jahr 2002 tatsächlich beobachten.

In der Zwischenzeit hatte die Eso ihr Very Large Telescope, VLT, auf dem über 2600 Meter hohen Cerro Paranal in der trockenen Atacama-Wüste in Betrieb genommen. Dort herrschen ideale Beobachtungsbedingungen, und das VLT besitzt vier moderne Acht-Meter-Spiegel. Als sein Team dann S2 mit einem der Spiegel ins Visier nahm, „hatte es das Glück des Tüchtigen“, sagt Stefan Gillessen, der später dazustieß. Just in dieser Zeit raste S2 mit etwa 7000 Sekundenkilometern durch die Position seiner Minimaldistanz zu Sagittarius A*, in der er dem Schwarzen Loch am nächsten kommt, was etwa dem vierfachen Abstand zwischen Neptun und Sonne entspricht. Diese und frühere Aufnahmen des wandernden S2 ergaben übereinandergelegt eine geschlossene elliptische Bahn. Auf ihr bewegt sich dieser Stern in knapp 16 Jahren einmal um das schwere Objekt. Das Volumen, das er so umläuft, lässt für Astronomen nur eine vernünftige Interpretation zu: Dort sitzt ein Schwarzes Loch. Aber ist das ganz sicher? „Eine gute Frage“, antwortet Genzel und bestätigt, dass es noch nicht hundertprozentig gesichert sei.

Reinhard Genzel bekam die Nobelpreis-Medaille am Dienstagabend in München in der Bayerischen Staatskanzlei vom Schwedischen Botschafter in Deutschland überreicht.
Reinhard Genzel bekam die Nobelpreis-Medaille am Dienstagabend in München in der Bayerischen Staatskanzlei vom Schwedischen Botschafter in Deutschland überreicht. Bild: AFP

Allerdings sprechen inzwischen weitere starke Indizien dafür, gewonnen mit Hilfe von „Gravity“. Das ist ein sogenanntes virtuelles 130-Meter-Teleskop, zu dem man die vier Spiegel des VLT seit 2017 zusammenschalten kann: Sternenlicht, das die einzelnen Spiegel sammeln, muss extrem präzise zusammengeführt und überlagert werden. Ginge die Nobelpreismedaille auf dem Mond verloren, ließe sich damit von der Erde aus immerhin noch der linke vom rechten Rand unterscheiden. „Frank Eisenhauer gelang damit ein Wunderwerk“, lobt Genzel seinen langjährigen Mitarbeiter und Leiter dieses Projekts der Präzision.

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Von 2018 an diente „Gravity“ dem Team um Reinhard Genzel dazu, zwei für ein Schwarzes Loch typische Eigenschaften zu beobachten, zum Beispiel die starke Rotverschiebung des Lichts von S2. Lichtschwingungen sind mit einer Uhr vergleichbar, und eine Uhr tickt nach Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie für außenstehende Beobachter umso langsamer, je tiefer sie in ein Gravitationsfeld eintaucht. Mit der Verlangsamung der Schwingungen wird nun das Licht röter, und die durch „Gravity“ beobachtete Rotverschiebung passt genau zu einem Schwarzen Loch mit vier Millionen Sonnenmassen. Die zweite Eigenschaft lässt die Bahn von S2 ähnlich einem Hula-Hoop-Reifen um das Massemonster im Zentrum kreisen. Benannt ist diese Präzession nach dem deutschen Astronomen Karl Schwarzschild. Dieser hatte bereits 1915 jene Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie gefunden, die Schwarze Löcher zu Lichtfallen macht.

Die aktuellen Forschungsprogramme von Genzel und Ghez bestehen darin, Schritt für Schritt weitere Eigenschaften des Schwarzen Lochs in Sagittarius A* zu vermessen. „Was uns noch fehlt, ist die Beobachtung des Spins des Schwarzen Lochs“, erklärt Genzel. Für die Vermessung dieses Drehsinns suchen die Forschungsgruppen jetzt nach Sternen, die das Schwarze Loch noch näher streifen. Mit ihrer Hilfe könnte man überdies die Eigenschaften von dessen Ereignishorizont untersuchen, dem Ort ohne Wiederkehr für Licht und einströmende Materie. Und wie denkt Reinhard Genzel über das Wettrennen mit Andrea Ghez und ihrem Team? „Das war ganz hervorragend“, betont er. Eine so bedeutende Entdeckung müsse schließlich gegenseitig und unabhängig bestätigt werden. Das führte beide zum Nobelpreis.

Quelle: F.A.S.
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