Astronomie Im Nabel der Milchstraße

Es ist noch gar nicht so lange her, da fühlte sich der Mensch im Mittelpunkt des Universums, zumindest ungefähr. Seit der Antike weiß man, daß wir auf einer Kugelfläche leben, die als solche keinen Mittelpunkt hat. Und spätestens seit Kepler ist auch klar, daß besagte Kugel um die Sonne kreist.

Aber noch bis zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubten Astronomen, unsere Sonne müsse sich nahe dem Zentrum eines kosmischen Nebels befinden, jenseits dessen sich nur unermeßliche Leere dehnt. Doch auch hier hatte das weniger mit menschlichem Mittelpunktsdünkel zu tun als damit, was die Menschen sehen konnten: Das leuchtende Band der Milchstraße, das rings über beide Hemisphären des Himmels läuft.

Zusammengequetschte Masse

Erst im Fernrohr zeigt sich, daß es sich dabei um Myriaden von Sternen handelt (siehe Die Elsheimer-Galaxis). Und sie scheinen eine scheibenförmige Wolke rings um unsere kosmische Heimat zu bilden. Daß die Sterne in der einen oder anderen Richtung etwas dichter stehen, etwa im Sternbild Schütze, erklärte der große Astronom William Herschel im späten 18. Jahrhundert damit, daß die Sternenwolke eben etwas ausgefranst ist. Da die Wolke aber nach allen Seiten zu sehen ist, stand für ihn fest: Wir sind mittendrin.

Zum Glück sind wir es nicht, sondern sichere 25.000 Lichtjahre vom wahren Zentrum unserer Heimatgalaxie entfernt. Denn dieses Zentrum ist ein unheimlicher Ort. Wie unheimlich, das ist den Astronomen erst in den letzten Jahrzehnten klargeworden. Und in den letzten Jahren wurde es immer gewisser, daß sich dort etwas Ungeheuerliches verbirgt: Die Masse von Millionen Sonnen zusammengequetscht auf ein Volumen, dessen Durchmesser kleiner ist als der der Bahn der Erde um die Sonne.

Ein fettes Schwarzes Loch

Wird Materie dermaßen komprimiert, läßt sich ihr Zustand durch keine bekannten Naturgesetze mehr beschreiben, und ihr Schwerefeld wird so stark, daß es dort einen sogenannten Ereignishorizont gibt. Er markiert eine Zone, aus der noch nicht einmal Licht entfliehen kann. Im Nabel der Milchstraße lauert ein ziemlich fettes Schwarzes Loch.
Einer, dem wir diese Erkenntnis maßgeblich mitverdanken, ist Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) in Garching und Professor an der University of California in Berkeley. „Wir leben in einer aufregenden Zeit“, freute er sich, als er im November auf einer Tagung in München den Forschungsstand präsentierte. Tatsächlich lüftet sich jetzt der Schleier, mit dem sich das galaktische Zentrum lange umgab.

Wettlauf um intime Details

Mit immer besseren Instrumenten liefern sich mehrere Forschergruppen einen Wettlauf um immer neue intime Details aus Zonen in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs (siehe Tanz ums Schwarze Loch). Eine zunehmend wichtigere Rolle spielt für die galaktischen Paparazzi die gleichzeitige Beobachtung bei verschiedenen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums. In der Fachzeitschrift Astronomy&Astrophysics erscheint demnächst eine Arbeit von Forschern um Andreas Eckart von der Universität Köln. Darin beschreiben sie gleichzeitige Ausbrüche von Infrarot- und Röntgenstrahlung, die mehrmals täglich in der unmittelbaren Umgebung des Loches aufflackern.
„Der Fortschritt wird von der Technik getrieben“, sagt Stefan Gillessen vom MPE. „Es kommt vor allem darauf an, wer die bessere Kamera baut.“ Tatsächlich hatte es schlicht technische Gründe, warum das galaktische Zentrum so lange verborgen blieb. Die Sonne ist zwar tatsächlich Teil einer riesigen spiralförmigen Wolke, doch die besteht mitnichten nur aus leuchtenden Sternen, sondern auch aus jeder Menge Gas und Staub, der sichtbares Licht verschluckt und uns nach vielen Richtungen die Sicht versperrt - insbesondere auf die Nabe der Spirale.

Zentrum im Sternbild Schütze

Erst präzise Beobachtungen der Bewegung der Sterne, genauer der sogenannten Kugelsternhaufen, ermöglichten es dem Amerikaner Harlow Shapely im Jahre 1918, das wahre Zentrum der Milchstraße zu ermitteln. Es liegt genau hinter einer Dunkelwolke, im Sternbild Schütze. Mehr erfuhr man damals nicht über diesen Ort, außer daß er sicher nicht besonders gemütlich ist. Da die Sterne dort sehr dicht zusammenstehen, ist die lebensfeindliche kosmische Strahlung intensiver, und eventuelle Planeten hätten kaum Platz, um ungestört ihre Kreise zu ziehen.
Dann aber lernten die Astronomen, den Himmel bei anderen als den sichtbaren Wellenlängen zu beobachten. Dank der Radartechnik, die der Zweite Weltkrieg befördert hatte, gelang das zuerst bei den langen Wellen der Radiostrahlung. Für diese sind die Dunkelwolken durchlässig - und siehe da: Im Radiobereich ist das galaktische Zentrum ein hell gleißendes Objekt. Die Astronomen nennen es „Sagittarius A“ (oder kurz „Sgr A“), nach dem lateinischen Namen des Sternbildes Schütze (siehe Milchstraße: Ins innerste Zentrum).

Schnelle Elektronen
Bei den Radiowellen muß es sich um sogenannte Synchrotronstrahlung handeln. Sie entsteht immer dann, wenn geladene Teilchen gezwungen werden, um die Kurve zu fliegen. Im Kosmos wird sie meist von sehr schnellen Elektronen emittiert, die von Magnetfeldern auf Spiralbahnen gezwungen werden. Da die Elektronen ihre Energie schnell verlieren, müssen für ein dauerhaftes Radioleuchten ständig neue nachgeliefert oder neu beschleunigt werden.

Synchrotron-Emissionen sind daher stets ein Hinweis auf starke Energiequellen. Normale Sterne können sich hinter dem galaktischen Radiosender also nicht verbergen. Auf Bildern bei Zentimeter-Wellenlängen erscheint Sgr A noch als ein lichtjahredicker diffuser Klumpen. Doch das liegt auch daran, daß ionisierte Gasschwaden in der Sichtlinie den Lauf der Radiowellen stören - ganz ähnlich wie Luftunruhen in der Erdatmosphäre das Sternenlicht funkeln lassen.

Ein komplexes Gebilde

Dieser Störeffekt wird um so geringer, je kleiner die Wellenlänge ist, bei der man beobachtet. Tatsächlich entpuppt sich Sagittarius A bei kleineren Wellenlängen als ein komplexes Gebilde: eine Wolke, in der Gasmassen in Form einer dreiarmigen Spirale kreisen. Mittendrin ein heller Punkt. Das ist „Sgr A*“ - sprich „Sagittarius A Stern“.
Im Jahr 2004 gelang es einem Team um Geoffrey Bower aus Berkeley und Heino Falcke von der Universität Nijmegen und dem MPI für Radioastronomie in Bonn, dieses Objekt mit zusammengeschalteten Radioteleskopen in ganz Nordamerika bei einer Wellenlänge von nur 7 Millimetern zu beobachten und damit die Größe des Gebietes zu bestimmen, aus dem diese Radiostrahlung kommt: Es ist nur etwa 24 mal größer, als der Ereignishorizont eines statischen Schwarzen Loches mit drei Millionen Sonnenmassen. Würde man mit derselben Technik bei noch kleineren Wellenlängen beobachten, sähe man vermutlich den Ereignishorizont selber.

Teleskop mit „Leitstern“ im Blick

Im Jahr 2004 glaubte allerdings schon niemand mehr, daß sich hinter Sgr A* etwas anderes verbirgt als ein Schwarzes Loch. Über zehn Jahre hinweg hatten Reinhard Genzel und seine Truppe die Gegend um das galaktische Zentrum im Infrarotlicht studiert. Diese Strahlung dringt ebenfalls durch die Dunkelwolken und ist bei bestimmten Wellenlängen auch mit hoch gelegenen optischen Teleskopen beobachtbar, etwa dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile.

Genzels Gruppe hatte dafür nicht nur geeignete Infrarotkameras konstruiert, sondern auch die neue Technik der adaptiven Optik ausgenutzt. Dabei behält das Teleskop ständig einen hellen „Leitstern“ im Blick, registriert dessen Bildverzerrung in Folge von Luftunruhen und gleicht diese durch aktive Veränderung des Strahlengangs aus.

3,4 Millionen Sonnenmassen

Auf den so entstandenen Infrarotaufnahmen ist Sgr A* kaum zu sehen - erst 2003 veröffentlichten Genzel und Kollegen Messungen, die an dieser Stelle ein schwaches infrarotes Flackern zeigen. Dafür glühen dort Gaswolken, die offenbar etwas mit der dreiarmigen Spirale auf den Radiobildern zu tun haben - und ein ganzer Haufen von Sternen, die um die Position von Sgr A* herumtanzen.

Damit lassen sich ihre Bahnen bestimmen und daraus das Gravitationsfeld, das sie tanzen läßt. Wie sich herausstellt, ist es zu konzentriert, als daß es sich um eine Ansammlung von schwach leuchtenden Sternen handeln könnte. Selbst Cluster aus superdichten Neutronensternen oder Bälle hypothetischer Elementarteilchen sind mittlerweile ausgeschlossen. Nein, es kann eigentlich nichts anderes sein als ein Schwarzes Loch von etwa 3,4 Millionen Sonnenmassen.

Was flackert da?

„Daran ist kein vernünftiger Zweifel mehr möglich“, sagt Reinhard Genzel, dessen Resultate inzwischen auch von seiner amerikanischen Konkurrentin Andrea Ghez und ihrer Gruppe bestätigt wurden. Auch das Flackern von Sgr A* im infraroten und im Röntgenlicht, das die Astrophysiker im Augenblick stark beschäftigt, ist ein Indiz: Dabei ändert sich die Helligkeit innerhalb von Minuten. Das wäre nicht möglich, wenn das flackernde Raumgebiet größer wäre als die Strecke, die das Licht in einigen Minuten zurücklegt.

Die Frage ist nun, was da flackert. Und vor allem: warum nur so schwach? Denn an sich würde man von einem Schwarzen Loch etwas anderes erwarten. In kleinerem Format entstehen diese Objekte, wenn überschwere Sterne unter ihrem Gewicht kollabieren. Schon solchen stellaren Schwarzen Löchern möchte man nicht zu nahe kommen - vor allem wegen der Gase, die sie aus ihrer Nachbarschaft ansaugen oder akkretieren, wie die Astronomen sagen.

Todgeweihte Materie

Vor ihrem Verschwinden sammelt sich die todgeweihte Materie in einer sogenannten Akkretionsscheibe um den Äquator des Loches. Die sieht dann ähnlich aus wie der Ring um den Planeten Saturn, ist allerdings irrwitzig heiß. Komplexe Prozesse können außerdem dazu führen, daß ein Teil der angesaugten Materie dem Loch entgeht, und statt dessen senkrecht zur Scheibe in zwei dünnen Strahlen, sogenannten Jets, herausspritzt.
Eher selten fällt ein Stern ins Schwarze Loch. In so mancher anderen Galaxie wurden solche Jets beobachtet - und nicht selten sind sie größer als die ganze Galaxie (siehe Galaxien: Das All steckt voller Ungeheuer). Nicht so bei der Milchstraße. Dabei gibt es auch in ihrem Zentrum allerhand Gaswolken und Sternwinde, die eine solche Aktivität wenigstens im Miniaturmaßstab füttern könnten. „Wenn das alles normal akkretiert würde, wäre Sgr A* gut eine Million Male heller“, sagt Andreas Eckart. Irgendwie scheint ein großer Teil der Masse ohne viel Aufhebens im Loch zu verschwinden.

Weitere Beobachtungen nötig

Möglicherweise hat sich keine große Akkretionsscheibe mit hoher innerer Reibung ausgebildet. Eine kleine scheint es aber zu geben, denn in den Strahlungsausbrüchen erkennt man einen Takt von 17 Minuten - als ob die Strahlung von einem Fleck auf der Scheibe kommt, der das Schwarze Loch umkreist. Und wenn das stimmt, dann muß sich auch das Schwarze Loch selber recht schnell um die eigene Achse drehen.
Womit noch nicht geklärt wäre, was den Fleck selber flackern läßt. „Manche Theoretiker meinen, was wir da sehen, sei nichts als das Wetter auf der Akkretionsscheibe“ sagt Stefan Gillessen.

Es könnte sich um Instabilitäten und magnetische Verzwirbelungen handeln, entfernt vergleichbar mit den Ausbrüchen auf unserer Sonne. Doch eben das gilt es durch weitere Beobachtungen zu erhärten. So könnte man durch Zusammenschalten von mehreren VLT-Teleskopen, also durch sogenannte Interferometrie, die Auflösung im Infraroten schließlich so weit steigern, daß sich die Bewegung der Flecken um das Schwarze Loch verfolgen ließe. Damit müßte sich dann eigentlich die Frage beantworten lassen, warum das galaktische Zentrum trotz seines Schwarzen Loches so ruhig ist - zumindest im Moment.

Spektakuläres Feuerwerk

Viele Forscher glauben, daß auch der Kern der Milchstraße in seiner Vergangenheit aktiver als heute war. Und er könnte das wieder werden. Mindestens dürfte hin und wieder ein ganzer Stern in das Schwarze Loch fallen. „So etwas passiert vielleicht alle 10.000 Jahre“, sagt Andreas Eckart, „es wäre ein sehr helles Ereignis.“

Das arme Gestirn würde erst zu Gasschwaden zermahlen und dann eingesaugt. Die Infrarot-, Radio- und Röntgenteleskope würden ein spektakuläres Feuerwerk registrieren. Obwohl kaum etwas mit bloßem Auge Sichtbares durch die Dunkelwolken dränge, wären wir dabei. Aber Gott sei Dank nicht mittendrin.