Der schnellste Milchstraßenstern S301 wird Sagittarius A*s Spin erstmals messen

Etwas umkreist das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße so schnell und so nah, dass die Physik rotierender Objekte – nicht nur massereicher – endlich testbar wird. S301, identifiziert von einem Team am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik mithilfe des VLTI der Europäischen Südsternwarte, passiert Sagittarius A* in einer Entfernung von 1,78 Milliarden Kilometern – eine Distanz, die mit dem Abstand zwischen Sonne und Saturn vergleichbar ist. Dabei erreicht es etwa 25.000 km/s, also 8 % der Lichtgeschwindigkeit. Kein anderer in dieser Region der Galaxie verfolgter Stern hat sich je so schnell bewegt oder ist so nah herangekommen.

Was S301 von den anderen schnellen Sternen in der Nähe des galaktischen Zentrums unterscheidet, ist nicht allein die Geschwindigkeit – es ist die Konsequenz. In dieser Nähe sagt Einsteins allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass das rotierende Schwarze Loch die umgebende Raumzeit mit sich zieht – ein Effekt, der als Frame-Dragging oder Lense-Thirring-Effekt bezeichnet wird. Da S301 so tief in diese Region eindringt, sollte seine Umlaufbahn messbare Spuren der Rotationsgeschwindigkeit von Sagittarius A* tragen. Das war mit keinem bekannten Stern bisher möglich.

„Mit diesem Stern hoffen wir, innerhalb der nächsten zehn Jahre den Spin des Schwarzen Lochs zu messen“, sagte Felix Mang, Hauptautor der Studie und Forscher am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Derzeit existiert keine direkte Messung der Rotation von Sagittarius A*. S301 könnte eine solche liefern.

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Eine andere Klasse von S-Sternen

Sagittarius A* ist von einem Haufen schnell bewegter Sterne umgeben, den sogenannten S-Sternen, die über drei Jahrzehnte katalogisiert wurden und zur Kartierung des gravitativen Einflusses des Schwarzen Lochs dienen. Der bekannteste, S2, lieferte den ersten direkten Beweis dafür, dass Sagittarius A* eine Masse von vier Millionen Sonnenmassen besitzt – eine Arbeit, die Reinhard Genzel und Andrea Ghez den Nobelpreis für Physik 2020 einbrachte. S2 erreicht etwa 7.650 km/s im nächsten Vorbeiflug, rund 2,5 % der Lichtgeschwindigkeit, auf einer 16-jährigen Umlaufbahn.

S301 vollendet einen vollen Umlauf in 8,7 Jahren – weniger als der Hälfte der Zeit – und bewegt sich im nächsten Vorbeiflug dreimal schneller als S2 an seinem eigenen Perizentrum. Noch wichtiger: Es passiert Sagittarius A* in etwa 12 Astronomischen Einheiten, rund achtmal näher als jeder zuvor bekannte S-Stern. In dieser Entfernung existieren allgemeinrelativistische Effekte nicht nur; sie akkumulieren sich in der Umlaufbahn mit einer Rate, die die Instrumente am Paranal Jahr für Jahr verfolgen können.

Die Entdeckung gelang mit GRAVITY+, einer Next-Generation-Aufrüstung des ursprünglichen GRAVITY-Interferometers am Paranal-Observatorium der ESO in Chile. GRAVITY+ kombiniert Licht von vier 8,2-Meter-Teleskopen, um die Winkelauflösung zu erreichen, die nötig ist, um einzelne Sterne innerhalb des dichten, staubverdeckten Sternhaufens um das galaktische Zentrum aufzulösen. Indem das Team die Position von S301 über mehrere Beobachtungsepochen verfolgte, rekonstruierte es seine vollständige Umlaufbahn mit ausreichender Genauigkeit, um die Perizentrumsdistanz und die Spitzengeschwindigkeit zu bestimmen.

Warum der Spin wichtig ist

Die Masse von Sagittarius A* ist seit Jahren bekannt. Aber die Masse ist nur eine der beiden fundamentalen Eigenschaften, die ein Schwarzes Loch haben kann, neben der elektrischen Ladung – von der man erwartet, dass astrophysikalische Schwarze Löcher sie in realen Umgebungen schnell abgeben. Die verbleibende Eigenschaft ist der Spin. Gemäß der Kerr-Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen trägt ein rotierendes Schwarzes Loch Drehimpuls, und diese Rotation formt die Geometrie der Raumzeit um es herum auf eine Weise, die über das hinausgeht, was die Masse allein erzeugt.

Wie schnell Sagittarius A* rotiert und in welche Richtung, bestimmt die Struktur seines Ereignishorizonts und die Umlaufbahnen aller nahen Objekte. Aktuelle Schätzungen aus indirekten Methoden – Modellierung der Akkretionsscheibenemission, die im Event-Horizon-Telescope-Bild von 2022 beobachtet wurde – deuten darauf hin, dass es wahrscheinlich mit einer moderaten Rate rotiert, aber die Unsicherheiten bleiben groß genug, um einen Großteil des erlaubten Bereichs abzudecken. Eine Messung aus der Bahnpräzession von S301 wäre die erste direkte Bestimmung.

Der Lense-Thirring-Effekt bewirkt, dass die Ebene der Umlaufbahn eines Sterns um einen rotierenden Körper präzediert – sich langsam dreht – mit einer Rate, die vom Spinparameter des Schwarzen Lochs skaliert. Für S301 berechnet das Team, dass diese Präzession in den kommenden Jahren der Beobachtung mit GRAVITY+ ein nachweisbares Niveau erreichen wird.

Was die Daten noch nicht klären

Es gelten mehrere wichtige Einschränkungen. Die Umlaufbahn von S301 – ihre Geschwindigkeit, Periode und Perizentrumsdistanz – ist nun gut etabliert. Die Frame-Dragging-Präzession wurde noch nicht nachgewiesen; es ist eine zukünftige Messung, die erfordert, den Stern über mehrere weitere Vorbeiflüge an Sagittarius A* zu beobachten.

Das galaktische Zentrum ist zudem nach astrophysikalischen Maßstäben umgebungsbedingt verrauscht. Die Verteilung von Sternen, Gas und Dunkler Materie in der Region erzeugt newtonsche Gravitationsstörungen, die eine Umlaufbahn auf eine Weise verschieben können, die relativistische Präzession nachahmt. Die Extraktion des Lense-Thirring-Signals erfordert die Modellierung und Subtraktion dieser Beiträge, was der endgültigen Messung Komplexität und Unsicherheit hinzufügt.

Schließlich ist die Entdeckung von S301 selbst ein Anlass, genauer zu suchen. Der innere Sternhaufen um Sagittarius A* ist stark durch Staub verdeckt, und GRAVITY+ kann nur so weit vordringen. Es bleibt die Möglichkeit, dass zusätzliche Sterne noch näher umkreisen, mit orbitalen Signaturen, die stärkere oder andere relativistische Spuren enthalten.

Häufige Fragen zu S301 und Sagittarius A*

Wie haben Wissenschaftler einen Stern so nahe am galaktischen Zentrum gefunden? Das GRAVITY+-Instrument des Very Large Telescope Interferometer kombiniert Licht von vier 8-Meter-Teleskopen, um die Auflösung zu erreichen, die nötig ist, um einzelne Sterne im dichten Haufen um Sagittarius A* aufzulösen. Durch die Verfolgung winziger Positionsverschiebungen über mehrere Jahre rekonstruierte das Team die vollständige Umlaufbahn von S301.

Was ist Frame-Dragging und warum ist es wichtig? Eine rotierende Masse zieht das Raumzeitgefüge um sich herum mit – je schneller der Spin, desto stärker der Mitzieheffekt. In der Nähe eines rotierenden Schwarzen Lochs verändert dies die Bahnen naher Objekte in einer Weise, die sowohl vom Betrag als auch von der Richtung der Rotation abhängt. Die Messung aus einer Sternenbahn ergibt eine direkte Auskunft über den Drehimpuls des Schwarzen Lochs – etwas, das mit keiner anderen derzeitigen Methode für Sagittarius A* erreicht wurde.

Wie schneidet S301 im Vergleich zu anderen S-Sternen in der Nähe von Sgr A* ab? S2, der am besten untersuchte S-Stern, erreicht einen nächsten Vorbeiflug von etwa 100 Astronomischen Einheiten auf einem 16-jährigen Zyklus. S301 nähert sich achtmal näher, in 8,7 Jahren, mit der dreifachen Perizentrumsgeschwindigkeit. Diese Kombination aus Nähe und kurzer Periode macht ihn einzigartig empfindlich für Frame-Dragging.

Wird dies unser Wissen über das Schwarze Loch der Milchstraße verändern? Der Spin von Sagittarius A* ist derzeit durch keine direkte Messung eingeschränkt. Seine Bestimmung würde die grundlegende physikalische Beschreibung des zentralen Schwarzen Lochs unserer Galaxie vervollständigen und Tests der allgemeinen Relativitätstheorie in einer starken, rotierenden Umgebung ermöglichen, die Sternbahnen bisher nicht erreicht haben.

Beobachtungen mit GRAVITY+ werden über mehrere Umlaufperioden von S301 hinweg fortgesetzt. Das Team erwartet, dass die Frame-Dragging-Präzession innerhalb von etwa einem Jahrzehnt nachweisbare Werte erreicht – ein Zeitrahmen, der kurz genug ist, dass dieselben Instrumente und das Team, das S301 entdeckte, die Spin-Messung wahrscheinlich selbst durchführen werden.

Referenz: Mang et al., „S301: a new S star orbiting close to Sagittarius A*“, Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10894-w

Schlagwörter: black holes, Sagittarius A*, ESO, frame-dragging, S301

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