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Einsteinfeier 2007 – Verleihung der Einstein-Medaille

Mit Adleraugen ins Milchstrassenzentrum

Am 5.Juni 2007 fand in der Aula der Universität Bern die Verleihung der Einstein-Medaille statt. Nach der Begrüssung durch den Präsidenten der Albert Einstein Gesellschaft, Professor Peter Fricker, hielt der Laureat, Professor Reinhard Genzel den Festvortrag. Der am Max Planck Institut für Extraterrestrische Physik tätige Astrophysiker sprach einerseits über seine Experimente zur Beobachtung des Milchstrassenzentrums und andererseits über die nunmehr gesicherte Tatsache, dass das Zentrum ein riesiges Schwarzes Loch enthalten muss. Die Laudatio verlas Professor Peter Minkowski.


Professor Reinhard Genzel

Reinhard Genzel nahm uns am Anfang seines Vortrags mit auf eine virtuelle Reise durch unsere Galaxie, diese Weltinsel, die etwa hundert Milliarden Sterne in sich vereint. Viele Galaxien sehen der unsrigen ähnlich und jede enthält wohl im Zentrum ein riesiges Schwarzes Loch.
Ein Schwarzes Loch ist ein kosmisches Objekt, das infolge des Gravitationsfeldes seiner Masse einen so enormen physikalischen Einfluss auf seine Umgebung ausübt, dass es - klassisch gesehen – unsichtbar wird, weil selbst Lichtquanten gravitativ gebunden bleiben. Um ein Objekt (z.B. eine Rakete) von der Erde wegzubringen, muss man ihm eine gewisse Anfangsgeschwindigkeit erteilen, andernfalls fällt das Objekt garantiert auf die Erde zurück. Aus der Newtonschen Gravitationstheorie und der Kenntnis von Erdmasse und Erdradius lässt sich berechnen, dass ein Objekt, das mit weniger als 11km/s in Zenith-Richtung abgeschossen wird, zwangsläufig wieder zur Erde zurückkehren muss. Schon 1783 fragte sich John Mitchell, was passieren würde, wenn man die Sonne auf ein so kleines Volumen zusammendrücken würde, dass diese so genannte Fluchtgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit entspräche. Der Durchmesser einer solcherart komprimierten Sonne beträgt gerade mal 6 km, und das Objekt wäre von aussen betrachtet „schwarz“, da ja selbst Lichtstrahlen nicht mehr von der Oberfläche starten könnten, ohne zurückzufallen! Mitchells Ueberlegungen fanden zu seiner Zeit keinen wirklichen Nachhall und die Berechnung des für diesen Grenzfall nötigen Radius war insofern falsch, dass sie die relativistischen Effekte nicht berücksichtigte. Erst mit Hilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie kann dieser so genannte Schwarzschildradius des Ereignishorizontes richtig berechnet werden.
Im Universum gibt es neben exotischen Varianten zwei wichtige, recht gesicherte Realisierungen von Schwarzen Löchern: erstens als Endstadium eines Sterns, und zweitens als Massenkonzentration im Zentrum von Galaxien. Während die Sonne nach dem Durchlaufen verschiedener Fusionsprozesse schliesslich als weisser Zwerg enden wird, verläuft die Endphase bei Sternen, die mindestens dreissig Mal schwerer sind als die Sonne, dramatischer: im Innern fehlen schliesslich auch hier Fusionsreaktionen zur Erzeugung eines genügend grossen Strahlungsdrucks und der Stern wird durch die Gravitationskraft gnadenlos zusammengepresst, bis sein Radius kleiner wird als der Schwarzschildradius; der Stern endet als Schwarzes Loch. Steven Hawking gelang es zu zeigen, dass unter Berücksichtigung von Quantenphysik und Thermodynamik ein Schwarzes Loch dann doch strahlen kann, trotz der oben angestellten Ueberlegungen.
Ein Schwarzes Loch verrät seine Anwesenheit aber auch dadurch, dass beim Hineinstürzen von Materie extrem viel Energie abgestrahlt wird. Bei diesem Wachstumsprozess können im Prinzip bis zu 40% der der einfallenden Masse entsprechenden Energie, d.h. E=mc2, ins Universum zurückgestrahlt werden. Ein solches Objekt ist viele Millionen mal schwerer als ein Stern, und bildet vermutlich den Kern von so genannten Quasaren. Diese „quasi stellar objects“ wurden in den Sechziger Jahren entdeckt und sind die leuchtstärksten Objekte des Universums. Nur - der Nachweis der Anwesenheit eines Schwarzen Lochs im Zentrum eines Quasars ist einer direkten Beobachtung nicht zugänglich, da die Objekte zu weit entfernt sind.

Genzel und seiner Gruppe gelang es nun, den zweifelsfreien Nachweis zu führen, dass sich im Zentrum unserer Galaxie ein Schwarzes Loch befindet. Die Idee des Experiments beruht darauf, die Bewegung von zentrumsnahen Sternen zu detektieren, um daraus Eigenschaften, allem voran Masse und Radius des vermuteten zentralen Objekts zu bestimmen.
Tatsächlich findet man Sterne im Abstand einiger Lichtmonate vom Zentrum entfernt. Diese Sterne vollführen ähnliche Bahnen, wie die Planeten um die Sonne, und unterliegen ebenfalls der Newtonschen Mechanik. Die Grundüberlegung ist die folgende: kennt man von einem Planeten Umlaufsdauer und den mittleren Abstand zur Sonne, kann man daraus die Masse der Sonne berechnen. Die Beobachtung des Sterns S2 während der letzten 15 Jahre erlaubte die präzise Bestimmung der Kepplerbahn. Die Ellipse hat eine Perizentrumsdistanz von 15 Lichtstunden, was etwa dem dreifachen Abstand Sonne-Neptun entspricht. Von der Erde aus gesehen sind das bloss 0.1 Bogensekunden oder etwa 3 Hunderttausendstel eines Grades. Allerdings sieht man nur die Projektion der Bahn senkrecht zur Blickrichtung; der wahre Brennpunkt „SgrA“ liegt nicht auf der grossen Halbachse der in der Figur gezeichneten, projezierten Ellipse.


Rektaszension und Deklination von S2

Mit Hilfe des Doppler-Effekts konnte auch die Bahngeschwindigkeit bestimmt werden. Wie bei einem Kometen ist sie umso grösser, je näher sich S2 bei der Zentralmasse befindet. Mittlerweile wurden 30 Sterne beobachtet, aus deren Bestimmung der Bahnelemente die Masse von 4 Millionen Sonnenmassen für Sagittarius A* mit hoher Präzision berechnet werden konnte.

 


„Tanz der Sterne“ um unser Galaktisches Zentrum

Ist SgrA ein Schwarzes Loch? Vergleicht man die Daten mit den Eigenschaften anderer zum Teil exotischer Objekte wie stabile Sternhaufen, Fermionenbälle oder Bosonensterne, scheiden die beiden ersten Typen aufgrund des Massen- zu- Radius-Verhältnisses aus und Bosonensterne sind so unstabil, dass sie nach kurzer Zeit zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Aufgrund der Allgemeinen Relativitätstheorie muss daher unser Milchstrassenzentrum ein schwarzes Loch sein.

Professor Genzel erläuterte in seinem Vortrag auch die enormen experimentellen Probleme, die sich ergeben, wenn man ins Herz unserer Galaxie schauen will. Im sichtbaren Licht liegt auf der Sichtlinie Erde-Zentrum so viel leuchtendes Gas und Staub, dass SgrA unsichtbar ist. Genzel und seine Gruppe entwickelten nach und nach immer bessere Verfahren, die nähere Umgebung des Milchstrassenzentrums im Infrarotbereich zu erkunden. Die Instrumente sind zurzeit derart präzis, dass man in einer Entfernung von 60km zwei 3mm grosse Stecknadelköpfchen unterscheiden könnte, was einem Sehwinkel von 3 Millionstel Grad entspricht! Um den Einfluss der Erdatmosphäre auszutricksen, bedient man sich einer so genannten adaptiven Optik. Dazu beobachtet man gleichzeitig mit dem Milchstrassenzentrum eine ausserhalb der Atmosphäre liegenden künstliche Lichtquelle, die ohne Vorkehrung ein unscharfes Bild erzeugt. Dieses Bild wird auf einen deformierbaren Spiegel geworfen, dessen Oberfläche solange verbogen wird, bis das Spiegelbild wieder die ursprüngliche Punktquelle ergibt. Die erzielte Deformation stellt dann auch das Milchstrassenzentrum so dar, als wäre die Erdatmosphäre gar nicht vorhanden. Eine künstliche Lichtquelle wird im Prinzip so realisiert, dass man einen Laserstrahl mit geeigneter Wellenlänge in einem Punkt in 90km Höhe fokussiert und dann die Verzerrungen des Bildes dieses ‚künstlichen Lasersterns’ mit der adaptiven Optik wegkorrigiert.

 


Prinzip der Adaptiven Optik

Professor Reinhard Genzel schliesst seinen Vortrag mit einem kleinen Ausblick in die Zukunft. Geplant sind noch besser auflösende Verfahren in Zusammenarbeit mit dem Very Large Telescope, die Beobachtungen bis an den Ereignishorizont ermöglichen sollen, auch mittels astronometrischer Interferometrie. Das böte die Gelegenheit, bisher nur theoretisch vorhergesagte relativistische Prozesse in der Umgebung eines Schwarzen Loches tatsächlich zu beobachten und nachzuweisen.

Hansjörg Friedli


(Figuren aus der Powerpoint-Präsentation R. Genzel, Bern, 2007)

 

Vorstellung des Laureaten

Reinhard Genzel wurde am 24. März 1952 in Bad Homburg v.d.H. geboren. Ursprünglich wollte er Archäologe werden, doch sein Vater, ein Festkörperphysiker, weckte in ihm die Freude an den Naturwissenschaften. So baute er schon als Junge ein Spektrometer, mit dem es möglich war, die beiden Na-D-Linien aufzulösen! Professor Genzel ist verheiratet und Vater zweier Töchter.

Nach seinem Physikstudium an der Universität Freiburg wechselte Reinhard Genzel nach Bonn, um Astrophysik und Radioastronomie zu studieren, denn dort betrieb das neue Max-Planck-Institut für Radioastronomie das damals grösste Radio-Teleskop. Reinhard Genzel schrieb seine Diplom- und Doktorarbeit unter Peter Mezger in der Gruppe für molekulare Spektroskopie. Nach seiner Dissertation 1978 untersuchte er den 1.3cm-Uebergang in Wasser-Molekülen, das von kleinräumigen dichten Gaswolken in unserer Milchstrasse herrührt. Auf dieser Mikrowellen-Anregung basiert jeder Maser, eine dem Laser vergleichbare Apparatur. Er konnte zeigen, dass das 1.3cm-Signal erst in der Schlussphase der Formation von massiven Sternen auftritt. Bis 1980 war Genzel Postdoc im Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, in Cambridge, Massachusetts. Er bekam dann die einzigartige Gelegenheit, in der Gruppe von Charles Townes, dem Erfinder von Laser und Maser, mitzuarbeiten. Der Wechsel an die Universität von Kalifornien, Berkeley war der Startpunkt für eine sehr produktive und aufregende Zeit, in welcher Reinhard Genzel verschiedene Spektrometer sowohl für das NASA Kuiper Airborne Observatory (das erste auf einem Flugzeug installierte Infrarot-Teleskop) und für das 4300m hoch gelegene Teleskop auf dem Mauna Kea entwickelte. Die Messungen ergaben neue Erkenntnisse der Wechselwirkung von massiven Sternen mit ihrer interstellaren und galaktischen Umgebung.

Das Zentrum unserer Milchstrasse ist im sichtbaren Bereich durch Staubwolken verdeckt, aber im fernen Infrarotbereich ist es möglich, durch die Wolken hindurch zusehen, und Genzel untersuchte die Geschwindigkeitsverteilung von Gaswolken nahe des Zentrums. Seine Resultate bestärkten die Astrophysiker in der Vermutung, dass das galaktische Zentrum ein schwarzes Loch enthalten müsse. Mittlerweile bereits Associate und Full Professor of Physics erhielt Genzel 1985 den Ruf , die Leitung der Infrarot-Abteilung des Max-Planck Instituts für Extraterrestrische Physik (MPE) zu übernehmen. 1986 wurde er - im Alter von 33 Jahren - Direktor des MPE. Seit 1988 ist Reinhard Genzel Honorarprofessor an der Münchner Universität und seit 1999 hat er wieder ein Teilzeitprofessur an der University of California, Berkeley.

Mit ständig verbesserter Auflösung der Apparaturen wurde es Mitte der neunziger Jahre möglich, die Bahn eines einzelnen Sterns nahe des galaktischen Zentrums zu beobachten. S2, so der Name des Sterns, hat eine maximale Bahngeschwindigkeit von 5000km/s (200mal die der Erde), eine Umlaufszeit von 15.2 Jahren (etwa die des Jupiters) und eine stark elliptische Bahn mit einer Minimaldistanz zum Milchstrassenzentrum von rund 20 Milliarden km (etwa dem dreifachen Abstand Sonne-Pluto). Nach den Keplergesetzen erfordert das einen Zentralkörper mit einer Masse von etwa vier Millionen Sonnen. Mit den Messungen an S2 – der 2007 seinen ersten von Menschen beobachteten Umlauf vollendet – konnte Professor Genzel und seine Gruppe zweifelsfrei nachweisen, dass das Zentrum unserer Galaxie ein schwarzes Loch enthalten muss! An S2 und etwa dreissig anderen zentrumsnahen Sternen will man Bahnelemente genauer messen und daraus Rückschlüsse auf die unmittelbare Umgebung des schwarzen Lochs bezüglich Massenverteilung, Sternpopulation oder Vorhandensein von dunkler Materie ziehen. Ferner hofft man, Effekte zu sehen und zu messen, die nur mit der Allgemeinen Relativitätstheorie erklärt werden können, insbesondere beim schwarzen Loch selber.

Hansjörg Friedli

 
 
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