Reinhard Genzel erhält den Physik-Nobelpreis
Der Max-Planck-Direktor wird für seine Beobachtungen des schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum ausgezeichnet.
Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, erhält gemeinsam mit Roger Penrose und Andrea Ghez den Nobelpreis für Physik 2020. Die königlich schwedische Akademie der Wissenschaften zeichnet die Wissenschaftler für ihre Forschungen an schwarzen Löchern aus. Dabei beobachtete die Gruppe um Genzel mit hochpräzisen Methoden das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße – unter anderem Helligkeitsausbrüche von Gas aus der unmittelbaren Umgebung des schwarzen Lochs und eine von diesem Massemonster verursachte Gravitationsrotverschiebung im Licht eines vorbeiziehenden Sterns.
Reinhard Genzel und seine Gruppe haben in den vergangenen Jahren mehrere bahnbrechende Ergebnisse in der galaktischen und extragalaktischen Astrophysik erreicht. So hatten die Forscher im Jahr 2001 das rund 26.000 Lichtjahre entfernte Herz unserer Milchstraße im infraroten Licht unter die Lupe genommen. Dabei kartierten Genzel und seine Kollegen die Bewegung von Sternen des zentralen Sternhaufens mit hoher räumlicher Auflösung.
Mithilfe der adaptiven Optik zum Ausgleich der Luftunruhe sowie einem Verfahren namens Speckle-Interferometrie gelang ihnen die präzise Messung von Sterngeschwindigkeiten im Gravitationsfeld des vermeintlichen schwarzen Lochs bis zu einem Abstand von 0,1 Bogensekunden. Daraus bestimmten Genzel und die Astronomen aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik die Masse des schwarzen Lochs mit recht hoher Genauigkeit auf etwa 4,31 Millionen Sonnenmassen.
Weitere Studien der Gruppe um Reinhard Genzel zeigten, dass sowohl das Massenspektrum als auch die Geometrie der Sterne im Zentrum der Galaxis ungewöhnlich sind. Außerdem entdeckten die Wissenschaftler Strahlungsausbrüche im Infrarotbereich, die wahrscheinlich von Gas nahe der inneren Akkretionsscheibe des schwarzen Lochs stammen.
Erst im vergangenen Jahr war es Reinhard Genzel gelungen, erstmals an einem Stern die sogenannte Gravitations-Rotverschiebung nachzuweisen. Zur Beobachtung des galaktischen Zentrums nutzen die Astronomen empfindliche Instrumente wie Gravity, Sinfoni und Naco. Sie alle gehören zum Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO), wurden unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik gebaut und mustern den Himmel im infraroten Licht.
Die Forscher richteten ihr Augenmerk auf einen Stern namens S2 und verfolgten ihn auf seiner Umlaufbahn um das schwarze Loch, dem er im Jahr 2018 besonders nahe kam. So betrug die geringste Entfernung zwischen S2 und dem schwarzen Loch am 19. Mai ungefähr 14 Milliarden Kilometer. Der Stern bewegte sich dabei mit einem Tempo von mehr als 25 Millionen Kilometern pro Stunde – entsprechend nahezu drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Für einen vollständigen Umlauf benötigt er etwa 15 Jahre.
Die Wissenschaftler verglichen die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen von Gravity und Sinfoni sowie jene aus früheren Beobachtungen von S2 mit den Vorhersagen der Newtonschen Gravitationsphysik, der allgemeinen Relativitätstheorie und auch anderen Gravitationstheorien. Tatsächlich stehen die neuen Ergebnisse im Widerspruch zu den Newtonschen Vorhersagen, stimmen jedoch mit denen der allgemeinen Relativitätstheorie ausgezeichnet überein.
Die Messungen zeigten deutlich einen Effekt, der als Gravitations-Rotverschiebung bezeichnet wird: Das Licht des Sterns S2 wird durch das sehr starke Gravitationsfeld des schwarzen Lochs zu längeren Wellenlängen hingestreckt und erscheint daher rötlich. Und diese Änderung der Wellenlänge stimmte genau mit der Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie überein. Damit hatten die Forscher zum ersten Mal diese Abweichung von den Vorhersagen der einfacheren Newtonschen Gravitationstheorie in der Bewegung eines Sterns um ein supermassereiches schwarzes Loch beobachtet.
Ebenfalls im Jahr 2018 veröffentlichte Reinhard Genzel eine Arbeit über die Beobachtung von Helligkeitsausbrüchen in der unmittelbaren Nähe des galaktischen schwarzen Lochs. Dabei sahen die Forscher drei solcher Flares. Alle hatten dieselben Bahnradien und Umlaufperioden. Die Bewegung dieser drei heißen Flecken im galaktischen Zentrum lässt sich durch ein einfaches Orbitmodell erklären, dessen Radius drei- bis fünfmal größer ist als jener des Ereignishorizonts des schwarzen Lochs. Dabei, so fand die Gruppe um Genzel heraus, wirbelt Gas mit einem Tempo von 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit um dieses herum – ganz im Einklang mit der Theorie.
Erst im Frühjahr diesen Jahres gelang einem Team um den Max-Planck-Direktor eine weitere maßgebliche Entdeckung: Eine jahrelange Beobachtung der Bahn des Sterns S2 zeigte, dass diese nicht ortsfest im Raum bleibt, sondern gleichsam langsam voranschreitet. Das heißt, mehrere Umläufe von S2 ergeben die Form einer Rosette. Auch diesen Effekt hatte Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie prophezeit, und er erklärt etwa die schon lange bekannte Drehung der Merkurbahn.
Gelungen war auch diese Entdeckung mit dem Instrument Gravity, welches das Licht aller vier Acht-Meter-Spiegel des Very Large Telescope der ESO vereint. Dank dieser Interferometrie genannten Technik erzeugt Gravity die Leistung eines virtuellen Fernrohrs mit einem effektiven Durchmesser von 130 Metern.
HOR
