Ein Stern auf extremer Bahn

S301 spürt die Rotation des zentralen Schwarzen Lochs der Milchstraße

Auf den Punkt gebracht:

• Entdeckung von S301: Forscher des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik haben den Stern S301 entdeckt, der das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße, Sagittarius A* (Sgr A*), näher und schneller umkreist als jeder andere bekannte Stern – mit einer Umlaufzeit von 8,7 Jahren und einer größten Annäherung, die in etwa der Entfernung zwischen Sonne und Saturn entspricht.
• Herausforderungen bei der Beobachtung: S301 ist extrem lichtschwach – zwei Milliarden Mal schwächer als Beteigeuze –, was seine Erkennung erschwert. Dank hochmoderner Instrumente wie GRAVITY und neuer Methoden zur Datenanalyse gelang es jedoch, seine Position in der Nähe von Sgr A* präzise zu verfolgen.
• Wissenschaftliche Bedeutung: S301 erforscht die Raumzeit näher am Schwarzen Loch als bisherige Sterne, was es Forschern ermöglicht, die Rotation des Schwarzen Lochs zu untersuchen und grundlegende physikalische Theorien wie die Kerr-Metrik und das „No-Hair“-Theorem zu überprüfen.
• Technologische Fortschritte: Der Einsatz von GRAVITY am Very Large Telescope Interferometer und des künftigen MICADO-Instruments am ESO Extremely Large Telescope bietet eine beispiellose Auflösung und Empfindlichkeit für die Untersuchung von Sternen in der Nähe des galaktischen Zentrums.

Ein Team der Infrarot- und Submillimeter-Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) hat einen neuen Stern entdeckt. S301 kommt dem supermassereiche Schwarzen Loch Sagittarius A* im Zentrum unserer Milchstraße näher, als jeder andere bekannte Stern. Der neu identifizierte Himmelskörper S301 umkreist das Schwarze Loch auf einer stark elliptischen Bahn. Er nähert sich Sagittarius A* bis auf zwölf astronomische Einheiten an – grob der Entfernung zwischen Sonne und Saturn. Niemals zuvor wurde ein Stern mit kürzerer Umlaufzeit und engerer Bahn um das schwarze Loch im galaktischen Zentrum beobachtet.

Noch bedeutender: S301 bewegt sich durch einen Bereich, in dem die Rotation des Schwarzen Lochs die Raumzeit selbst mit sich zieht. Dieser Effekt tritt nur in unmittelbarer Nähe eines massereichen, sich drehenden Objekts auf. „S301 untersucht die Raumzeit im galaktischen Zentrum zehnmal näher an Sagittarius A* als unser bisher bester Stern, S2“, sagt Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Nobelpreisträger für Physik 2020. „Innerhalb des nächsten Jahrzehnts messen wir die Rotation des Schwarzen Lochs direkt – ein Meilenstein für die Allgemeine Relativitätstheorie.“

Ein Flackern im Lichtmeer: Ein Stern, der fast unsichtbar ist

S301 leuchtet zwei Milliarden Mal schwächer als Beteigeuze, einer der hellsten Sterne im Sternbild Orion. Sein Licht ist so schwach, dass er selbst in den besten Aufnahmen des galaktischen Zentrums nur als winziger Punkt erscheint, verloren zwischen zahlreichen deutlich helleren Sternen.

Erstmals identifiziert wurde S301 im Frühjahr 2023 mit dem GRAVITY-Instrument am Very Large Telescope Interferometer der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile. Entwickelt in internationaler Kooperation unter der Leitung des MPE, kombiniert GRAVITY das Licht von vier 8-Meter-Teleskopen und erreicht eine Winkelauflösung, die 40-mal schärfer ist als die eines einzelnen Teleskops. Die kürzlich abgeschlossene Erweiterung zu GRAVITY+ mit neuem adaptivem Optiksystem und Laserleitsternen erhöhte die Empfindlichkeit um den Faktor 10 bis 100. Diese beispiellose Genauigkeit und Sensitivität ermöglichten die Entdeckung des neuen, kaum sichtbaren Sterns S301.

Dank seiner außergewöhnlichen Auflösung kann GRAVITY im Zentrum der Milchstraße selbst extrem lichtschwache Sterne auf Skalen beobachten, die mit der Größe unseres Sonnensystems vergleichbar sind. Die Entdeckung von S301 ist das Ergebnis von vier Jahrzehnten systematischer Beobachtungen durch das MPE-Team. In dieser Zeit hat das Team die Region um Sagittarius A* mit stetig wachsender Präzision kartiert, um die Bewegungen der Sterne zu vermessen und die Masse im Zentrum unserer Galaxis zu bestimmen.

Zwei relativistische Effekte: einer groß, einer winzig

Die Bahn von S301 weicht deutlich von einer Ellipse ab, wie sie die klassische Gravitationstheorie nach Newton etwa vorhersagt. Das ist ein klares Anzeichen für relativistische Effekte, die nur in der Nähe eines massereichen, rotierenden Schwarzen Lochs auftreten. Zwei Phänomene spielen dabei eine Rolle:

• Schwarzschild-Präzession: Ist der Raum um eine zentrale Masse, wie in diesem Fall das supermassereiche Schwarze Loch, gekrümmt, wirkt sich dies auf die Umlaufbahnen der Objekte in seiner Umgebung aus. Beim Stern S2 wurde bereits nachgewiesen, dass sich der Punkt seiner größten Annäherung an das Schwarze Loch mit der Zeit langsam verschiebt – auch als Periapsisdrehung bezeichnet. Ursache ist die Krümmung von Raum und Zeit, die allein durch die gewaltige Masse des Schwarzen Lochs entsteht. Die sogenannte Schwarzschild-Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie liefert daher weiterhin eine gute Näherung, um die Bahn von S2 zu beschreiben.
• Lense-Thirring-Effekt (Frame-Dragging-Effekt): Da das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße nicht nur extrem massereich ist, sondern auch rotiert, tritt neben der Schwarzschild-Präzession ein weiterer relativistischer Effekt auf: der Lense-Thirring-Effekt. Eine rotierende Masse zieht die sie umgebende Raumzeit gewissermaßen mit sich – ähnlich wie ein rotierender Löffel, der das Wasser in einer Tasse in Bewegung setzt. Der Effekt ist deutlich schwächer und daher schwieriger nachzuweisen. Mit S301 wurde nun der erste Stern gefunden,  bei dem dieser Effekt um ein schwarzes Loch messbar wird.

„S301 ist der erste Stern, der direkt in dem Bereich um Sagittarius A* kreist, in dem der Lense-Thirring-Effekt der Raumzeit extrem ist“, erläutert Felix Mang, Doktorand am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und korrespondierender Autor der in Nature veröffentlichten Studie. „Wir messen nicht nur die Krümmung der Raumzeit; wir messen, wie sie durch die Rotation des Schwarzen Lochs selbst verzerrt wird. Das ist einzigartig.“

Warum ist die Messung so anspruchsvoll?

Die Verfolgung eines solchen Sterns stellt eine technische Meisterleistung dar. Um die Bahn von S301 zu vermessen, analysierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jahrelange Beobachtungsdaten, aufgenommen mit einer Auflösung von nur wenigen Millibogensekunden – vergleichbar mit der Größe eines Autos auf dem Mond. Die Position des Sterns wurde im Rahmen zahlreicher Beobachtungen über viele Jahre hinweg verfolgt.

Bislang war es unmöglich, ein derart lichtschwaches Objekt nachzuweisen – vor allem aufgrund des extremen Helligkeitskontrasts zwischen S301 und den anderen Sternen, die das Schwarze Loch umkreisen. Mithilfe einer neuen, vom MPE Team entwickelten Datenanalysemethode ist es nun gelungen, das schwache Signal herauszufiltern. Das ist vergleichbar mit dem Versuch, das Summen einer Fliege zu hören, während ein Symphonieorchester spielt.

Der Vorteil des Sterns: schneller, präziser, empfindlicher für die Rotation von Sagittarius A*

Ein entscheidender Vorteil von S301 gegenüber der Beobachtung des diffusen heißen Gases um Schwarze Löcher (wie beispielsweise das vom Event Horizon Telescope in M87 abgebildete schwarze Loch) besteht darin, dass die Bewegung direkt beobachtet wird. Kombiniert man die Positionsmessungen von GRAVITY+ mit Radialgeschwindigkeitsdaten des im Bau befindlichen MICADO Instruments am Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte, kann das Team die dreidimensionale Bewegung des Sterns präzise rekonstruieren und erstmals den Spin von Sagittarius A* direkt bestimmen.

„Wir sind schneller, präziser und direkter“, sagt Reinhard Genzel. „Mit S301 messen wir die rotierende Raumzeit selbst – nicht indirekt über ein Bild, sondern direkt über die Bewegung eines einzelnen Sterns.“

Zukunftsmusik: Haben Schwarze Löcher wirklich keine Haare?

Die Beobachtung von S301 ist Teil einer langfristigen Vision: die Kerr-Metrik zu prüfen, die mathematische Beschreibung der Raumzeit um ein rotierendes Schwarzes Loch. Stefan Gillessen, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und korrespondierender Autor, erklärt: „Langfristig könnte die Analyse der Bahn von S301 sogar Hinweise auf das No-Hair-Theorem liefern – die Aussage, dass ein Schwarzes Loch vollständig durch nur drei Eigenschaften beschrieben wird: Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung.“

Frank Eisenhauer, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und leitender Wissenschaftler der GRAVITY-Projekte, schwärmt und blickt optimistisch in die Zukunft: „Die Schönheit der Natur in Form dieses Sterns zu entdecken, ist ein wahr gewordener Traum. Mit GRAVITY+ und dem kommenden MICADO-Instrument, das wir derzeit in einer internationalen Kooperation unter Leitung des MPE für das Extremely Large Telescope entwickeln, werden wir fremde Welten erkunden, neue Physik entdecken und sehen, was niemand zuvor gesehen hat“.

Hintergrund

Das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik erforscht physikalische und chemische Prozesse im Universum – von der Stern- und Planetenentstehung bis hin zu den Ursprüngen des Lebens. Es ist besonders bekannt für den Nachweis, dass Sagittarius A* ein supermassereiches Schwarzes Loch ist – eine Entdeckung, für die MPE-Direktor Reinhard Genzel 2020 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Anfang November 2025 wurden über dem Paranal-Observatorium der ESO in Chile vier Laser in den Himmel abgefeuert, von denen jeder einen künstlichen Stern erzeugte, um Astronominnen und Astronomen dabei zu helfen, atmosphärische Unschärfe zu messen und zu korrigieren. Dieser beeindruckende Start – jeweils einer von jedem der 8-Meter-Teleskope – markiert einen wichtigen Meilenstein des vom MPE geleiteten GRAVITY+-Projekts, das die Fähigkeit des VLTI, schwächere Objekte zu beobachten und einen größeren Teil des südlichen Himmels abzudecken, erheblich verbessert.

Das Instrument GRAVITY am Very Large Telescope Interferometer und sein Upgrade auf GRAVITY+ entstanden in einem vom MPE geleiteten Konsortium in enger Zusammenarbeit mit Institutionen aus Belgien, Frankreich, Deutschland, Irland, Mexiko, Portugal sowie dem Vereinigten Königreich und wurde maßgeblich durch die Max-Planck-Förderstiftung unterstützt. Die Europäische Südsternwarte (ESO) ist eine intergouvernementale Organisation, die von 16 Mitgliedstaaten und zwei assoziierten Ländern getragen wird. Sie entwickelt, baut und betreibt führende bodengebundene Observatorien – mit Hauptsitz in Deutschland und drei Standorten in Chile. Die ESO ermöglicht Forschenden weltweit, bahnbrechende astronomische Fragen zu untersuchen und das öffentliche Interesse an der Astronomie zu fördern.