Albert Einsteins im Jahr 1915 aufgestellte Allgemeine Relativitätstheorie ist für die allermeisten „Normalsterblichen“ ein Buch mit sieben Siegeln. Kurz zusammengefasst besagt die früher entwickelte spezielle Relativitätstheorie, dass alles „relativ ist“, sprich, dass die Zeit nicht immer gleich schnell vergeht und somit eine Minute mal länger und mal kürzer dauern kann. Ebenso wie die Zeit, sind auch Längen nicht immer gleich lang und ein Meter kann auch mal länger und mal kürzer sein.
Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) geht noch einen Schritt weiter. Hier kommt die Gravitation und die Krümmung von Raum und Zeit ins Spiel. Demnach hängt es von der Geschwindigkeit, mit der wir uns bewegen, ab, wie schnell die Zeit vergeht oder wie lang ein Meter ist, und je schneller man sich bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Dieser Teil der Theorie konnte bereits wissenschaftlich bewiesen werden. Zusätzlich ändern sich Zeit und Länge auch, je weiter man vor der Erde entfernt ist.
Wissenschaftler arbeiten seit Jahrzehnten daran, diese Relativitätstheorie und deren Richtigkeit zu erforschen und konnten nun nach einer 26-jährigen Beobachtungskampagne mit den Teleskopen der ESO in Chile „einen Haken setzen“. Beobachtungen mit dem Very Large Telescope der ESO konnten nämlich zum ersten Mal die von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten Auswirkungen auf die Bewegung eines Sterns zeigen, der das extreme Gravitationsfeld in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs in der Mitte der Milchstraße durchwandert.
Dieses supermassereiche Schwarze Loch ist 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt, im Zentrum der Milchstraße, und das der Erde am nächsten gelegene Schwarze Loch. Seine Masse ist vier Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne und es ist von einer kleinen Gruppe von Sternen umgeben, die es mit hoher Geschwindigkeit umkreisen.
„Diese extreme Umgebung – das stärkste Gravitationsfeld in unserer Galaxis – macht es zum perfekten Ort, um die Gravitationsphysik zu erforschen und insbesondere Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu testen“, heißt bei der ESO. „Am nächsten Punkt war dieser Stern weniger als 20 Milliarden Kilometer vom Schwarzen Loch entfernt und bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von über 25 Millionen Kilometern pro Stunde – fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit.“
Durch neue Infrarotbeobachtungen der Instrumente GRAVITY, SINFONI und NACO am Very Large Telescope (VLT) der ESO konnten Astronomen einen dieser Sterne mit dem Namen S2 verfolgen, als er im Mai 2018 das Schwarze Loch passierte. Das Team verglich die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen von GRAVITY und SINFONI sowie frühere Beobachtungen von S2 mit anderen Instrumenten mit den Vorhersagen der Newtonschen Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie und anderen Gravitationstheorien.
S2 umkreist das Schwarze Loch einmal in 16 Jahren auf einer hochexzentrischen Umlaufbahn, die ihn auf 20 Milliarden Kilometer – 120 mal die Entfernung von der Erde zur Sonne oder etwa vier mal die Entfernung von der Sonne zum Neptun – an seinem nächstgelegenen Punkt zum Schwarzen Loch heranbringt. Dieser Abstand entspricht etwa dem 1.500-fachen des Schwarzschildradius des Schwarzen Lochs selbst.
Gravitationsrotverschiebung
Die neuen Ergebnisse passen nicht zu den Newtonschen Vorhersagen, dafür aber perfekt zu den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie. „In Newton’s Universum gibt es keine Gravitationsrotverschiebung. Es ist ein relativistischer Effekt“, erklärt Stefan Gillesen vom Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics.
Die neuen Messungen zeigen aber deutlich einen Effekt, der als Gravitationsrotverschiebung bezeichnet wird. „Licht, das sich aus einem Gravitationsfeld herausbewegt, wird in der ART rotverschoben. Das gilt für Licht, das wir von der Erde nach oben schicken, genau so wie für Licht, das einen Stern verlässt – die Schwerkraft des Körpers wirkt sich also auf die Lichtfarbe aus, die man weit entfernt sieht, die Wellenlänge wird vergrößert“, führt Gillesen aus.
„Bei S2 haben wir zwei Spieler: Den Stern, und das Schwarze Loch. Der Stern leuchtet, und sein Licht muss also erst einmal den Stern verlassen, und dann noch das Schwerkraftfeld des Schwarzen Lochs. Die Schwerkraft des Sterns selbst führt nur zu einem minimalen Effekt, der nicht beobachtbar ist. Aber die Schwerkraft des Schwarzen Lochs macht sich beobachtbar bemerkbar. Die Wellenlänge verschiebt sich um 0.07% – nicht gerade dramatisch, aber beobachtbar.“
Diese Änderung der Wellenlänge des Lichts von S2 stimmt genau mit der von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten überein, als endgültigen Beweis für die Richtigkeit der ART könne man aber auch diese Erkenntnisse noch nicht bezeichnen, betont Gillesen.
„Wissenschaft funktioniert ja über Tests. Man kann eigentlich nie beweisen, dass etwas stimmt – denn vielleicht findet in der Zkunuft ja jemand einmal doch eine Ungereimtheit. Man kann aber testen, sprich prüfen, ob die Theorie mit den Beobachtungen übereinstimmt. Wenn ja, kann man einen Haken setzen, und sich einem nächsten Test zuwenden. Wenn nein, dann ist man womöglch in der Lage, die Theorie als falsch zurückzuweisen“, sagt er. „Wir konnten also hier einen weiteren Haken setzen: Die ART hat auch in diesem Fall gestimmt. Es war das erste Mal, dass die Rotverschiebung direkt bei so einem schweren Körper (4 Millionen Sonnenmassen) und so einem starken Gravitationsfeld nachgewiesen wurde.“
Françoise Delplancke, Leiterin der Abteilung Systemtechnik bei der ESO, erläutert die Bedeutung der Beobachtungen: „Hier im Sonnensystem können wir die Gesetze der Physik nur unter bestimmten Umständen testen. Deshalb ist es in der Astronomie sehr wichtig zu überprüfen, ob diese Gesetze noch gültig sind, wenn die Gravitationsfelder sehr viel stärker sind.“
Weitere Beobachtungen dürften sehr bald einen weiteren relativistischen Effekt zeigen – eine kleine Rotation der Sternumlaufbahn, die als Schwarzschild-Präzession bezeichnet wird – wenn sich S2 vom Schwarzen Loch entfernt, glaubt man bei der ESO.
Zeitreisen
Wer nun aber glaubt, durch die neuen Messungen gebe es auch Hinweise, dass Zeitreisen möglich wären, wenn man nur schnell genug ist, wie Einstein es bereits 1905 in seiner speziellen Relativitätstheorie beschrieben hat, wird jedoch enttäuscht.
„Nein, als Hinweis auf Zeitreisen kann man das nicht werten. Der Effekt mit der Geschwindigkeit, den Sie ansprechen, ist einer der speziellen Relativitätstheorie“, sagt Gillesen. „Aber diese Theorie ist schon so konstruiert, dass man niemals Information aus der Zukunft bekommen kann, oder andersherum, dass man Dinge in der Vergangenheit manipulieren kann. Solche Zeitreisen sind unmöglich.“
„Was man immer mal wieder als Spekulation liest, sind Zeitreisen im Rahmen der allgemeinen RT. Man könnte sich Wurmlöcher vorstellen, die Raumzeitbereiche im Universum miteinander verbinden. Das ist wohl in den Gleichungen möglich, aber es gibt nirgendwo einen Hinweis darauf, dass man solche Objekte tatsächlich im Universum hat“, erklärt er weiter. „Und es würde ja auch unser grundlegendes Verständnis verletzen, dass die Ursache der Wirkung vorhergehen muss. Sonst kommt man in die logische Falle, dass man bei einer Zeitreise ja seine Eltern töten könnte, vor der eigenen Geburt. Dann würde man also gar nicht geboren. Aber dann würde man auch keine Zeitreise unternehmen können, und die Eltern würden nicht getötet. Aber dann, wiederum, würde man ja geboren werden …”
Die Messungen wurden von einem internationalen Team unter der Leitung von Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching bei München zusammen mit Mitarbeitern aus aller Welt – am Observatoire de Paris-PSL, der Université Grenoble Alpes, dem CNRS, dem Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), der Universität zu Köln, dem portugiesischen CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação und der ESO durchgeführt und sind der Höhepunkt einer 26-jährigen Serie von immer genaueren Beobachtungen des Zentrums der Milchstraße mit ESO-Instrumenten.
Bilder: ESO
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