Ein Stern rast mit 25.000 km/s um das Schwarze Loch – und könnte Einsteins Theorie auf die Probe stellen

25.000 Kilometer pro Sekunde. Würde S301 mit diesem Tempo um die Erde rasen, wäre er in weniger als zwei Sekunden einmal herum. Tatsächlich jagt der Stern durch eine Gegend, in der Raum und Zeit selbst aus der Form geraten: direkt um Sagittarius A*, das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße.

Dort kommt S301 dem Schwarzen Loch so nahe wie kein bislang beobachteter Stern. Bei seiner engsten Passage beschleunigt er auf mehr als acht Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Damit ist er der schnellste bekannte Stern unserer Galaxie – und möglicherweise genau das Objekt, mit dem Astronomen erstmals direkt messen können, wie stark ein rotierendes Schwarzes Loch die Raumzeit mit sich zieht.

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik beschreibt S301 in einer aktuellen Studie. Der Stern braucht nur 8,7 Jahre für einen Umlauf um Sagittarius A* und nähert sich dem Schwarzen Loch deutlich stärker als der bekannte Stern S2. Diese außergewöhnlich enge Bahn könnte erstmals verraten, wie schnell sich Sagittarius A* um die eigene Achse dreht.

S301 kommt Sagittarius A* näher als jeder andere bekannte Stern

S301 bewegt sich auf einer extrem langgestreckten Bahn. Ihre Exzentrizität liegt bei etwa 0,983. Bei der engsten Annäherung trennen den Stern nur 136 bis 142 Schwarzschild-Radien von Sagittarius A*. Am nächsten Punkt beschleunigt er auf etwa 25.000 bis 25.600 Kilometer pro Sekunde. Das entspricht 8,3 bis 8,5 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Auch die Umlaufzeit setzt einen Rekord. S301 benötigt nur 8,7 Jahre für eine Runde. Der bisherige Rekordhalter S55, auch S0-102 genannt, braucht etwa zwölf Jahre. Seine Bahn bleibt zudem keine geschlossene Ellipse: Durch die Krümmung der Raumzeit verschiebt sich der Punkt der größten Annäherung mit jedem Umlauf um rund 1,9 bis 2,0 Grad.

Die Rotation des Schwarzen Lochs könnte seine Bahn verraten

Ein rotierendes Schwarzes Loch zieht nach Einsteins Theorie die Raumzeit in seiner Umgebung mit. Dieser sogenannte Lense-Thirring-Effekt verändert die Bahnen naher Objekte. Bei bekannten Sternen rund um Sagittarius A* ist dieser Einfluss bislang zu schwach, um ihn innerhalb kurzer Zeit direkt zu messen.

Bei S301 sieht das anders aus. Für ein maximal rotierendes Schwarzes Loch berechnet das Team eine zusätzliche Bahnverschiebung von bis zu etwa 0,11 Grad pro Umlauf, abhängig von der Ausrichtung der Rotationsachse. Die Astronomen halten es deshalb für realistisch, innerhalb von ungefähr zehn Jahren den Spin von Sagittarius A* aus der Bahn von S301 abzuleiten.

Ein unscheinbarer Stern wird zum Test für Einstein

S301 selbst ist kein Riese. Seine Helligkeit im infraroten K-Band beträgt 19,3 Magnituden. Die Daten sprechen für einen Hauptreihenstern ungefähr des Spektraltyps F1.5 mit höchstens rund 1,5 Sonnenmassen. Sein Radius dürfte etwa 1,4 bis 1,6 Sonnenradien betragen. Trotz seiner extremen Bahn bleibt er weit genug von Sagittarius A* entfernt, um nicht durch dessen Gezeitenkräfte zerrissen zu werden.

Aufgespürt wurde S301 im Frühjahr 2023 mit dem Instrument GRAVITY am Very Large Telescope Interferometer. Später fanden die Astronomen den Stern auch rückwirkend in Beobachtungen aus den Jahren 2021 und 2017. Insgesamt stehen bislang 19 präzise Positionsmessungen zur Verfügung. Sie reichen bereits aus, um seine außergewöhnliche Bahn zu rekonstruieren.

Ein zerrissenes Doppelsternsystem könnte hinter S301 stecken

Noch fehlt allerdings die Radialgeschwindigkeit des Sterns. Deshalb bleiben zwei mögliche räumliche Orientierungen seiner Umlaufbahn bestehen. Das erklärt auch die leicht unterschiedlichen Angaben für Geschwindigkeit und geringsten Abstand. Künftige Beobachtungen mit dem Extremely Large Telescope sollen diese Lücke schließen.

Auch seine Herkunft lässt sich aus der ungewöhnlichen Bahn eingrenzen. S301 könnte einst Teil eines sehr engen Doppelsternsystems gewesen sein. Sagittarius A* zerriss das Paar vermutlich durch seine enorme Gravitation. S301 blieb auf seiner extremen Bahn zurück, während der Begleitstern als Hypergeschwindigkeitsstern hinausgeschleudert wurde. Die beiden Sterne dürften zuvor nur etwa 0,1 Astronomische Einheiten voneinander entfernt gewesen sein.

Kurz zusammengefasst:

• S301 ist der schnellste bekannte Stern der Milchstraße und erreicht bei seiner engsten Annäherung an Sagittarius A* bis zu 25.600 Kilometer pro Sekunde.
• Der Stern umkreist das supermassereiche Schwarze Loch in nur 8,7 Jahren und kommt ihm etwa zehnmal näher als der bekannte Stern S2.
• Seine extreme Bahn könnte erstmals eine direkte Messung der Rotation von Sagittarius A* anhand der Bewegung eines Sterns ermöglichen.

Übrigens: Selbst bei Beteigeuze könnten Astronomen nach rund 100 Jahren Suche noch einen bislang verborgenen Begleitstern entdeckt haben. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © ESO and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment: Davide De Martin and S. Guisard