16 Jahre lang haben deutsche Astronomen mit den Infrorot Teleskopen der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile 28 Sterne im Zentrum der Galaxis beobachtet, die um das supermassive Schwarze Loch kreisen. Im sichtbaren Licht sind diese Sterne nicht sichtbar, weil ihre Strahlung vom Satub stark abgeschwächt wird.

Die Auflösung der Bilder liegt bei 0,3 Millibogensekunden, das ist nur mit der speziellen adaptiven Optik, die das Verzerren der Bilder durch die Luft ausgleicht (blurring), möglich geworden.

Durch diese Beobachtungen ist die Existenz des 4 Millionen Sonnemassen schweren Schwarzen Loches endgültig gesichert.

Der Stern S2 ist in der Beobachtungszeit mehr als einmal um das Schwarze Loch gelaufen, er kommt bis auf wenige Lichtstunden an das Schwarze Loch heran.

Noch ist nicht verstanden, wie die Sterne in dieser Nähe zum Schwarzen Loch entstanden sind, zukünftige Messungen werden aber nicht nur dieses Rätsel lösen, sondern auch die Allgemeine Relativitätstheorie in der Nähe solcher großen Massen testen.

Interessant ist noch, dass 95% der Masse, die die Sterne in ihreren Bahnen hält, vom Schwarzen Loch stammen. Es bleibt wenig Raum für Dunkle Materie.

Es folgen die ESO Pressemeldung in Englisch und ein Link zu mehreren Filmen.

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ESO 46/08 - Science Release

10 December 2008
For immediate release

Unprecedented 16-Year Long Study Tracks Stars Orbiting Milky Way Black Hole

In a 16-year long study, using several of ESO's flagship telescopes, a team of German astronomers has produced the most detailed view ever of the surroundings of the monster lurking at our Galaxy's heart — a supermassive black hole. The research has unravelled the hidden secrets of this tumultuous region by mapping the orbits of almost 30 stars, a five-fold increase over previous studies. One of the stars has now completed a full orbit around the black hole.

By watching the motions of 28 stars orbiting the Milky Way's most central region with admirable patience and amazing precision, astronomers have been able to study the supermassive black hole lurking there. It is known as "Sagittarius A*" (pronounced "Sagittarius A star"). The new research marks the first time that the orbits of so many of these central stars have been calculated precisely and reveals information about the enigmatic formation of these stars — and about the black hole to which they are bound.

"The centre of the Galaxy is a unique laboratory where we can study the fundamental processes of strong gravity, stellar dynamics and star formation that are of great relevance to all other galactic nuclei, with a level of detail that will never be possible beyond our Galaxy," explains Reinhard Genzel, leader of the team from the Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics in Garching near Munich.

The interstellar dust that fills the Galaxy blocks our direct view of the Milky Way's central region in visible light. So astronomers used infrared wavelengths that can penetrate the dust to probe the region. While this is a technological challenge, it is well worth the effort. "The Galactic Centre harbours the closest supermassive black hole known. Hence, it is the best place to study black holes in detail," argues the study's first author, Stefan Gillessen.

The team used the central stars as "test particles" by watching how they move around Sagittarius A*. Just as leaves caught in a wintry gust reveal a complex web of air currents, so does tracking the central stars show the nexus of forces at work at the Galactic Centre. These observations can then be used to infer important properties of the black hole itself, such as its mass and distance. The new study also showed that at least 95% of the mass sensed by the stars has to be in the black hole. There is thus little room left for other dark matter.

"Undoubtedly the most spectacular aspect of our long term study is that it has delivered what is now considered to be the best empirical evidence that supermassive black holes do really exist. The stellar orbits in the Galactic Centre show that the central mass concentration of four million solar masses must be a black hole, beyond any reasonable doubt," says Genzel. The observations also allow astronomers to pinpoint our distance to the centre of the Galaxy with great precision, which is now measured to be 27 000 light-years.

To build this unparalleled picture of the Milky Way's heart and calculate the orbits of the individual stars the team had to study the stars there for many years. These latest groundbreaking results therefore represent 16 years of dedicated work, which started with observations made in 1992 with the SHARP camera attached to ESO's 3.5-metre New Technology Telescope located at the La Silla observatory in Chile. More observations have subsequently been made since 2002 using two instruments mounted on ESO's 8.2 m Very Large Telescope (VLT). A total of roughly 50 nights of observing time with ESO telescopes, over the 16 years, has been used to complete this incredible set of observations.

The new work improved the accuracy by which the astronomers can measure the positions of the stars by a factor of six compared to previous studies. The final precision is 300 microarcseconds, equivalent at seeing a one euro coin from a distance of roughly 10 000 km.

For the first time the number of known stellar orbits is now large enough to look for common properties among them. "The stars in the innermost region are in random orbits, like a swarm of bees," says Gillessen. "However, further out, six of the 28 stars orbit the black hole in a disc. In this respect the new study has also confirmed explicitly earlier work in which the disc had been found, but only in a statistical sense. Ordered motion outside the central light-month, randomly oriented orbits inside – that's how the dynamics of the young stars in the Galactic Centre are best described."

One particular star, known as S2, orbits the Milky Way's centre so fast that it completed one full revolution within the 16-year period of the study. Observing one complete orbit of S2 has been a crucial contribution to the high accuracy reached and to understanding this region. Yet the mystery still remains as to how these young stars came to be in the orbits they are observed to be in today. They are much too young to have migrated far, but it seems even more improbable that they formed in their current orbits where the tidal forces of the black hole act. Excitingly, future observations are already being planned to test several theoretical models that try to solve this riddle.

"ESO still has much to look forward to," says Genzel. "For future studies in the immediate vicinity of the black hole, we need higher angular resolution than is presently possible." According to Frank Eisenhauer, principal investigator of the next generation instrument GRAVITY, ESO will soon be able to obtain that much needed resolution. "The next major advance will be to combine the light from the four 8.2-metre VLT unit telescopes – a technique known as interferometry. This will improve the accuracy of the observations by a factor 10 to 100 over what is currently possible. This combination has the potential to directly test Einstein's general relativity in the presently unexplored region close to a black hole."

Max-Planck-Gesellchaft:

Im Herzen der Milchstraße lauert ein supermassives Schwarzes Loch. In einer 16 Jahre langen Beobachtungskampagne haben Astronomen nun das bisher detailreichste Bild dieser turbulenten Region gezeichnet. Die Forscher konnten die Umlaufbahnen von 28 Sternen verfolgen - fünf Mal mehr als in vorhergehenden Untersuchungen. Seit Beginn der Messungen im Jahr 1992 hat einer der Sterne jetzt sogar das Schwarze Loch einmal vollständig umrundet. (The Astrophysical Journal)

"Das Zentrum der Galaxis ist ein einzigartiges Labor, in dem wir grundlegende Gesetze der Schwerkraft, der Sternendynamik und Sternbildung studieren können. Diese Prozesse sind für alle anderen galaktischen Kerne von zentraler Bedeutung, aber nur im galaktischen Zentrum erreicht man den notwendigen Detaillierungsgrad", sagt Reinhard Genzel, der das Team am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München leitet.

Der interstellare Staub, der die Galaxis füllt, behindert im sichtbaren Licht die direkte Sicht auf das Zentrum. Daher benutzten die Astronomen für ihre Untersuchung dieser Himmelsregion Wellenlängen im Infraroten, die den Staub durchdringen. Das bedeutete eine große technische Herausforderung, doch der Aufwand lohnte sich: "Das galaktische Zentrum beherbergt das nächstliegende uns bekannte superschwere Schwarze Loch, auch Sagittarius A* genannt. Daher ist das der beste Ort überhaupt, wenn man diese Klasse von Objekten untersuchen möchte", meint Stefan Gillessen, Erstautor der Studie.

Die zentralen Sterne der Galaxis dienten als "Testteilchen", denn die Forscher beobachteten genau, auf welche Weise sie sich um Sagittarius A* bewegten. Ähnlich wie Laub, das von einem Windstoß hinweggefegt wird, ein komplexes Netzwerk aus Luftströmen enthüllt, spiegelten auch die Umläufe der Sterne deutlich die Kräfte wider, die im galaktischen Zentrum wirken.

Diese Beobachtungen wurden dann benutzt, um wichtige Eigenschaften des Schwarzen Lochs abzuleiten, etwa seine Masse und Entfernung. Die neue Untersuchung zeigt auch, dass mindestens 95 Prozent der Masse, die auf die Sterne einwirkt, sich im Schwarzen Loch befinden muss. Es bleibt daher wenig Raum für andere dunkle Materie.

"Unsere Langzeitstudie hat den bisher besten empirischen Beweis erbracht, dass supermassive Schwarze Löcher wirklich existieren. Die Sternorbits im galaktischen Zentrum zeigen zweifelsfrei, dass die zentrale Massenkonzentration von vier Millionen Sonnenmassen ein Schwarzes Loch sein muss", sagt Genzel. Die Beobachtungen erlaubten es den Astronomen auch, die Entfernung der Erde vom Zentrum der Galaxis mit hoher Genauigkeit zu bestimmen: Sie beträgt demnach 27.000 Lichtjahre.

Um das beispiellos detaillierte Bild vom Herzen der Milchstraße erstellen und die Umlaufbahnen der einzelnen Sterne berechnen zu können, musste das Team die Sterne über viele Jahre hinweg beobachten. Vor 16 Jahren wurden mit der SHARP-Kamera am New Technology Telescope der Europäischen Südsternwarte die ersten Daten gewonnen und seit 2002 weitere Folgebeobachtungen mit zwei Instrumenten am Very Large Telescope (VLT) gemacht.

Insgesamt rund 50 Nächte Beobachtungszeit mussten investiert werden, bis die Wissenschaftler zu ihren spektakulären Ergebnissen kamen. Die langfristige Vision des deutschen Forscherteams um Reinhard Genzel wurde im Juni dieses Jahres mit dem hoch angesehenen Shaw-Preis ausgezeichnet.

Durch die neue Studie lassen sich nun die Positionen der Sterne mit sechsfach höherer Präzision vermessen als zuvor. Dabei erreichten die Forscher eine Genauigkeit von 300 Mikrobogensekunden: Unter diesem winzigen Winkel erscheint eine Ein-Euro-Münze aus einer Entfernung von rund 10.000 Kilometern.

Zum ersten Mal ist jetzt die Anzahl bekannter Sternorbits groß genug, um sie auf gemeinsame Eigenschaften hin zu untersuchen. "Die Bahnen der Sterne in der innersten Region sind völlig regellos. Dort geht es zu wie in einem Bienenschwarm", sagt Stefan Gillessen. Jedoch umkreisen weiter draußen sechs der 28 Sterne das Schwarze Loch in einer Scheibe. In dieser Hinsicht hat die neue Studie auch frühere Arbeiten bestätigt, in denen die Scheibe gefunden worden war. "Geordnete Bewegung außerhalb des ersten Lichtmonats, zufällig orientierte Bahnen innerhalb davon - so lässt sich die Dynamik der jungen Sterne im galaktischen Zentrum am besten beschreiben", sagt Gillessen.

Ein bestimmter Stern, bekannt als S2, umkreist das Zentrum der Milchstraße so schnell, dass er innerhalb der 16-Jahres-Dauer der Studie seine Bahn einmal vollständig durchlaufen hat. Die Beobachtung eines kompletten Umlaufs von S2 trug entscheidend zur Messgenauigkeit und damit zum Verständnis dieser Region bei. Ein Rätsel bleibt jedoch, wie diese jungen Sterne in die beobachteten Umlaufbahnen gelangten. Sie sind viel zu jung, um von weit her gekommen zu sein, aber es erscheint noch unwahrscheinlicher, dass sie in ihren jetzigen Bahnen entstanden, wo die Gezeitenkräfte des Schwarzen Loches wirken. Zukünftige Beobachtungen sollen theoretische Erklärungsmodelle testen.

"Für Untersuchungen in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs benötigen wir eine höhere Winkelauflösung als zurzeit möglich", sagt Genzel. Laut Frank Eisenhauer, Projektleiter des Nahinfrarot-Instrumentes GRAVITY, soll die Europäische Südsternwarte jedoch bald in der Lage sein, diese benötigte Auflösung zu erreichen. "Der nächste große Schritt wird sein, das Licht von den vier 8,2-Meter-Teleskopen des VLT zu kombinieren." Das werde die Genauigkeit der Beobachtungen im Vergleich zum heute Möglichen um einen Faktor zwischen 10 und 100 steigern. Eisenhauer: "Diese Kombination besitzt das Potenzial, Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in der gegenwärtig noch unerforschten Region nahe an einem Schwarzen Loch zu überprüfen."

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft