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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