Das rätselhafte, unsichtbare Objekt, das unsere Milchstrasse bewegt

Das Weltall ist auch ein Raum, der Fragen auslöst: Was genau geschieht zum Beispiel im Zentrum einer Galaxie? Dieser Frage hat sich Andrea Ghez, Physik-Nobelpreisträgerin von 2020, in ihrer Laufbahn als Astronomin und Astrophysikerin mit Hingabe gewidmet. Könnte es sogar sein, dass sich im Kern jeder Galaxie ein supermassives schwarzes Loch befindet, das umso massiver ist, je massiver eine Galaxie ist? Das sind Fragen, die in der Astronomie diskutiert und erforscht werden.

Auch wenn die Existenz schwarzer Löcher heute wissenschaftlich anerkannt ist, so birgt ihre Natur noch immer ihre Rätsel: So hat die Grundlagenforschung bislang keine folgerichtig erscheinende Erklärung gefunden, wie oder woraus sich die «supermassereichen schwarzen Löcher» bildeten und wie sie mit der Entstehung und der Entwicklung ganzer Galaxien zusammenhängen. Einer gängigen Theorie zufolge könnten sie aus der Verschmelzung bereits zuvor vorhandener stellarer schwarzer Löcher entstanden sein. Letztere entstehen, wenn massive Sterne kollabieren. Die Bestätigung oder Widerlegung dieser Annahme durch konkrete Messdaten steht freilich noch aus.

Von der Möglichkeit zur Gewissheit

Im Fall unserer Galaxie, der Milchstrasse, gilt es mittlerweile als theoretisch und empirisch weitestgehend gesichert, dass in ihrem Zentrum ein supermassereiches schwarzes Loch existiert. Sein Name ist Sagittarius A*. Den empirisch bisher überzeugendsten Nachweis seiner Existenz haben Reinhard Genzel, Direktor des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, und Andrea Ghez, Professorin für Physik & Astronomie der Universität von Kalifornien, Los Angeles, erbracht. An den Paul Bernays Lectures 2021 wird Andrea Ghez nächste Woche über den Weg «von der Möglichkeit zur Gewissheit eines supermassereichen schwarzes Lochs» berichten. Desgleichen wird sie erörtern, inwiefern die Erkenntnisse aus der Milchstrasse das Wissen über andere Galaxien erweitern können.

Den Physik-Nobelpreis erhielt Andrea Ghez 2020 zusammen mit Reinhard Genzel und Roger Penrose: Penrose für die Entdeckung, dass sich die Entstehung schwarzer Löcher mit der allgemeinen Relativitätstheorie widerspruchsfrei voraussagen lässt; Genzel und Ghez für die Entdeckung eines supermassiven kompakten Objekts im Zentrum unserer Galaxie. Physikalisch betrachtet sind schwarze Löcher nämlich äusserst massereiche und extrem kompakte Objekte, deren Gravitation so stark wird, dass sie alles anziehen, was in ihren Einzugsbereich, den so genannten Ereignishorizont, gelangt: Nichts kann sich einem schwarzen Loch entziehen, weder Sterne noch Sonnen, Strahlung oder Information – auch nicht Licht. Dieser Tatsache, dass sie das Licht «verschlucken» und für Menschen unsichtbar sind, verdanken die schwarze Löcher ihren Namen.

Während Roger Penrose den Nobelpreis für einen mathematischen Beweis erhielt, wurden Reinhard Genzel und Andrea Ghez dafür geehrt, dass sie die Messtechnologie und Instrumente soweit verfeinerten, dass sie dank modernster, hochauflösender bildgebender und optischer Verfahren das eigentlich unsichtbare und extrem schwere Objekt im Herzen der Milchstrasse als schwarzes Loch indirekt nachweisen konnten.

«Andrea Ghez hat viele Jahre lang hartnäckig untersucht, was im Zentrum der Galaxie passiert. Als begnadete Instrumentenbauerin hat sie die zur Beobachtung von schwarzen Löchern benötigte Messtechnologie laufend weiterentwickelt und entscheidend verbessert», würdigt der Astrophysiker Philippe Jetzer, Professor der Universität Zürich, der an den Bernays Lectures in Andrea Ghez’ Forschung einführt. Zu Jetzers Schwerpunkten gehören Gravitationswellen und Relativitätstheorie. Über die Entstehung supermassiver schwarzer Löcher forscht er im Zusammenhang mit dem geplanten ESA-Forschungssatelliten «LISA», an dem sich auch ETH-Forschende beteiligen, und der neue Messdaten über Gravitationswellen aus dem Weltraum liefern soll.

Schärfere Bilder enthüllen das schwarze Loch

Andrea Ghez’ Schwerpunkt liegt demgegenüber auf Messtechnologien, mit denen sich Sterne und ihre Zwischenräume sowie Galaxien und ihre Zentren von der Erde aus beobachten lassen. Ihre Aufnahmen macht sie in der Regel mit den 10-Meter-Teleskopen des Keck-Observatoriums in Hawaii. Mit herkömmlicher Bildgebung haben erdgebundene Teleskop-Aufnahmen gegenüber Aufnahmen aus dem Weltraum einen Nachteil: Aufgrund der Turbulenzen in der Erdatmosphäre sind die Bilder verzerrt und unscharf.

Seit den 1990er-Jahren hat Ghez die Techniken der Bildgebung und der Optik sowie die Detektoren der Infrarotastronomie verfeinert, sodass sich die Unschärfeeffekte der Teleskope heute reduzieren und in Echtzeit korrigieren lassen. Die so entstehenden, hochaufgelösten Aufnahmen sind so scharf, dass Sterne und astronomischen Objekte deutlich erkennbar sind (vgl. Bild).

Auf der Grundlage der verbesserten Bildgebung konnte Ghez – und Genzel – erkennen, dass im Zentrum der Milchstrasse tausende von Sternen um ein und dasselbe unsichtbare Objekt kreisen. Zudem muss dieses zentrale Objekt sehr klein sein, da Sterne ungestört ihre Bahnen ziehen, ohne mit ihm zu kollidieren. Die hohe Geschwindigkeit der Sterne von bis zu vier Prozent der Lichtgeschwindigkeit deutet zudem darauf hin, dass dieses Objekt extrem schwer ist und mit seiner enormen Schwerkraft die Bewegung der Sterne beeinflusst. Tatsächlich entspricht die Masse dieses Objekts rund vier Millionen Mal der Masse unserer Sonne. Aus diesen Feststellungen sowie aus alternativen Erklärungen, die sich ausschliessen lassen, ergibt sich, dass ein supermassives schwarzes Loch die plausibelste und überzeugendste Erklärung dieses Objekts ist.

Derzeit untersucht Ghez, wie sie ihren Ansatz erweitern kann. Im Vergleich der Galaxien ist das schwarze Loch der Milchstrasse relativ ruhig. Wenn schon die Bewegungen in einer Galaxie, die wie die Milchstrasse eher inaktiv erscheint, im Zentrum von einem schwarzen Loch gesteuert werden, dann liegt die Annahme nicht fern, dass solche Objekte in den Zentren aller Galaxien zu finden seien.

Andrea Ghez’ Auftritt an den Paul Bernays Lectures 2021 schliesst nahtlos an die Vorlesungsreihe «Women in Science and Space» an, an der in diesem Frühjahr Physikerinnen auf Einladung von ETH-Rektorin Sarah Springman ihre Forschung zum Thema Weltall vorstellten (vgl. Links weiter unten).