Im Herzen der Milchstraße

Am 6. Oktober 2020 zeichnete die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik gemeinsam mit Andrea Ghez von der University of California mit dem Nobelpreis für Physik für ihre Erforschung des galaktischen Zentrums aus. Beide teilen sich diese Auszeichnung in diesem Jahr mit dem Briten Roger Penrose. Bereits in Mai 2012 erhielten Genzel und Ghez den Crafoord-Preis der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die damals die beiden Wissenschaftler „für ihre Beobachtungen der Sterne, die das galaktische Zentrum umkreisen und damit auf ein extrem massereiches Schwarzes Loch hinweisen“, würdigte.

In diesem historischen, nach wie vor hoch aktuellen Interview aus Anlass des Crafoord-Preises 2012 erzählt Reinhard Genzel, wie die Forscher dem Schwarzen Loch im Herzen der Milchstraße auf die Spur kamen, über Konkurrenz in der Wissenschaft und welches Schlüsselerlebnis ihn selbst früh zur Astrophysik brachte.

Wir gratulieren Herrn Genzel ganz herzlich zu der höchsten wissenschaftlichen Auszeichung!

Weltraumreporter: Herr Genzel, Ihre Forschungen zeigen, dass die Milchstraße in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch beherbergt. – Nun kann man ein Schwarzes Loch nicht direkt sehen. Was genau haben Sie beobachtet?

Reinhard Genzel: Wir haben die Bahnbewegungen einzelner Sterne im galaktischen Zentrum über viele Jahre verfolgt. Von einem Stern haben wir sogar einen vollen Umlauf.

Welche Schlussfolgerungen lassen sich aus diesen stellaren Orbits ziehen?

Die Conclusio ist, dass es im galaktischen Zentrum wirklich eine Punktmasse gibt, deren Position mit der Radioquelle Sagittarius A* übereinstimmt, dass die Radioquelle kompakt ist und sich nicht bewegt. Im Ausschlussprinzip unter der Annahme der allgemeinen Relativitätstheorie muss das ein extrem massereiches Schwarzes Loch sein. Das wird von allen akzeptiert.

Wie ist man überhaupt erst darauf gekommen, nachzusehen, ob es ein zentrales galaktisches Schwarzes Loch gibt?

Eigentlich über die Historie der Quasare: Diese Objekte sind im Grunde besonders leuchtstarke Kerne von sehr weit entfernten Galaxien. Ihre hohe Leuchtkraft ließ sich damit theoretisch erklären, dass sich Materie aufheizt, während sie auf ein Schwarzes Loch großer Masse fällt. Anfang der 1970er Jahre hatten die Astrophysiker Donald Lynden-Bell und Martin Rees spekuliert: Wenn es in diesen Quasaren Schwarze Löcher gibt, dann gibt es die auch anderswo, zum Beispiel in der Milchstraße.

Wann haben Sie selbst damit angefangen, das Zentrum der Milchstraße zu erforschen?

Das war mit meinem Mentor Charlie Townes, 1980 an der University of California in Berkeley. Er hatte die Spektroskopie im mittleren Infraroten entwickelt. Damit ließ sich im galaktischen Zentrum erstmals die Linie von ionisiertem Neon beobachten, die hellste in diesem Spektralbereich. Wir haben dann spektroskopisch Dopplerbewegungen von Gas im Infraroten gemessen. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass es dort tatsächlich eine konzentrierte Masse geben müsste.

Wie zuverlässig waren diese Messungen? Lassen sich Gasbewegungen nicht auch durch andere Effekte als die Gravitation, wie etwa durch den Strahlungsdruck, beeinflussen?

Ja, natürlich. Als dann optische Beobachter erste Messungen von Sternbewegungen in extragalaktischen Systemen unternahmen, galten diese Untersuchungen deshalb auch als zuverlässiger als solche von Gas. Da Sagittarius A* außerdem nicht sehr hell war, wie es aufgrund von Akkretion eigentlich zu erwarten gewesen wäre, schien der Fall für das galaktische Zentrum zunächst eher schwächer zu werden.

Und da dachten Sie: Jetzt erst recht! – und haben mit Ihrer jungen Garchinger Gruppe neue Beobachtungsmethoden entwickelt?

Damals wurde klar, dass man solche Messungen mit individuellen Sternen im Zentrum der Milchstraße hätte hinkriegen können, um damit eine sicherere Methode in der Hand zu haben. Der Durchbruch kam aber durch die hoch aufgelösten Bilder: Wir konnten relativ sicher darauf bauen, im Laufe von ein paar Jahren die Eigenbewegungen von einzelnen Sternen um das galaktische Zentrum zu sehen. Harry van der Laan, der damalige Direktor der Europäischen Südsternwarte, der ESO, hat uns 1991 ans New Technology Telescope mit einem 3,5-Meter-Spiegel gelassen. Das war keinesfalls selbstverständlich. – Damit waren wir anfangs allein auf weiter Flur.

Gab es dann noch andere Gruppen, die ähnliche Beobachtungen durchgeführt haben?

Ja, vier Jahre nach uns kam Andrea Ghez mit ihrer Gruppe in Berkeley. Sie hatte den Vorteil, sofort am Keck-Observatorium beobachten zu können.

Das lieferte aufgrund seines größeren Durchmessers von zehn Metern die schärferen Bilder!?

Ja, daher war die Keck-Gruppe um 2000 herum eher besser als wir. Dann aber hat sich die Sache wieder umgedreht, weil wir ans Very Large Telescope der ESO konnten und auch die bessere Instrumentierung hatten.

Da ist also eine Konkurrenzsituation entstanden?

Leider – und das muss ich jetzt retrospektiv sagen – führte das etwas zu einer gewissen Verhärtung der Beziehungen zwischen den beiden Gruppen, die am Anfang sehr positiv waren. Insoweit freue ich mich sehr, dass Andrea Ghez jetzt auch wirklich offiziell eine Anerkennung dieser Art bekommt, auf die sie länger gewartet hat. Das finde ich toll! – Jetzt darf ich vielleicht noch etwas zu einem früheren Kollegen sagen …

Gerne. Zu einem Ihrer Mitarbeiter am MPE?

Ja, Andreas Eckart. In der ersten Phase haben wir gemeinsam geforscht. Er war auch derjenige, der das Projekt mit geleitet hat. Da gibt es überhaupt keine Frage. Dann ist er weggegangen nach Köln, auch das war notwendig und natürlich. Dass er jetzt bei diesem Preis nicht so deutlich mitgewürdigt wird, finde ich ein bisschen traurig. – Sicher werde ich mein Bestes tun, diejenigen, die über die Jahre zu den Ergebnissen beigetragen haben, zu erwähnen.

Wenn Sie jetzt in die Zukunft denken: Zu welchen Forschungszwecken ließe sich das galaktische Schwarze Loch noch nutzen?

Vielleicht, um die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein zu testen, die erst bei besonders starken Gravitationsfeldern und Krümmungen richtig zum Tragen kommt. Im Labor lassen sich solche Bedingungen nicht erzeugen, und auch im Sonnensystem existieren sie nicht.

Dazu müsste man aber noch näher am Schwarzen Loch beobachten als bisher?

Ja. Wenn man Glück hat, gibt es Sterne, die noch näher dran sind als die bereits bekannten und die Umlaufperioden von wenigen Jahren haben. Außerdem wissen wir, dass es ganz nah am Ereignishorizont Flares gibt. Damit könnte man vielleicht die Eigenschaften des Raums in der Nachbarschaft des Schwarzen Lochs vermessen. Hierzu benötigen wir eine noch höhere Auflösung.

Wie wollen Sie diese erreichen?

Dafür entwickeln wir seit sieben Jahren ein Experiment namens Gravity. Es soll die vier VLT-Teleskope interferometrisch zusammenschalten. Wir sind damit jetzt in der letzten Phase und bauen die Hardware zusammen.

Für wann sind erste Messungen damit geplant?

In zwei, drei Jahren.

[Anm. der Redaktion: Mittlerweile konnten die Wissenschaftler mit dem Gravity-Instrument das Zentrum der Galaxis noch genauer untersuchen und die Allgemeine Relativitätstheorie testen. Siehe dazu auch unser Interview: Und wieder hatte Einstein recht.]

Setzen Sie auch Hoffnungen auf andere Methoden, etwa die Gravitationswellenastronomie?

Oh ja. Gravitationswellen sind das noch präzisere Instrument für die Tests der allgemeinen Relativitätstheorie. Das Experiment, das man hierzu machen will, ist, das Verschmelzen von zwei Schwarzen Löchern zu einem einzigen zu beobachten. Dann ließe sich die Signatur der Gravitationswellen verwenden, um diesen Prozess dynamisch zu verfolgen. Aber das ist mit den bodengebundenen Detektoren nicht leicht nachzuvollziehen, und die Weltraumexperimente kommen nicht so recht voran.

[Anm. der Redaktion: Drei Jahre nach diesem Interview gelang der experimentelle Nachweis von Gravitationswellen, 2017 wurde Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne dafür der Nobelpreis für Physik verliehen.]

Dürfen wir Sie nun noch etwas Persönliches fragen: Gab es vielleicht ein Schlüsselerlebnis in Ihrer Jugend, das Ihr Interesse für Physik und Astronomie geweckt hat?

Das Schlüsselerlebnis war mein Vater. Er war auch Physiker, sogar Gründungsdirektor des MPI für Festkörperforschung in Stuttgart – gestehe ich mit Dankbarkeit. Er verschaffte mir die Möglichkeit, selbst zu experimentieren. So bekam ich sehr früh Einblick in die Forschung.

Was war dann ausschlaggebend für die Richtung Astronomie?

Ich bin keiner gewesen, der im klassischen Sinne sein eigenes Teleskop geschliffen oder Astrofotografie gemacht hat. Ich bin über die Physik gekommen. Auch da hat mein Vater wesentlich einen Stimulus gegeben. Von ihm erfuhr ich von der Gründung des MPI für Radioastronomie und dem neuen Effelsberger 100-Meter-Radioteleskop. Das hat mich schon fasziniert. So bin ich nach Bonn gegangen, habe dort Physik studiert und bin dann in der Radioastronomie gelandet.

Gab es in der frühen Phase Ihrer wissenschaftlichen Laufbahn weitere Personen, die Ihr wissenschaftliches Denken entscheidend geprägt haben?

Ja, sowohl während meiner Promotionszeit in Bonn als auch am Harvard Smithsonian Center for Astrophysics, wo ich als Postdoc war. Und dann kam der große Schritt zu Charlie Townes, dem Nobelpreisträger für Laser- und Maserforschung. Da hatte ich überhaupt keine Angst, in dessen Riesenschatten zu stehen. Im Gegenteil, für mich ist er heute mein zweiter Vater.

Was hat Sie an der Arbeit bei Townes gereizt?

Er hatte von Laserforschung und Molekülspektroskopie in Richtung Astronomiem umgesattelt. Seine Gruppe machte Dinge in der experimentellen Astrophysik und Instrumentierung, die ich absolut fantastisch fand. Das war für mich ein Traum.

Wie lange haben Sie in seiner Gruppe geforscht?

Ich wurde dann recht schnell Professor und war dort insgesamt sechs Jahre. Es war die Max-Planck-Gesellschaft, die mir eine noch tollere Möglichkeit gegeben hat.

Haben Sie abschließend noch einen Ratschlag, den Sie gerne Nachwuchswissenschaftlern mitgeben möchten?

Man soll sich immer nach Feldern umschauen, die wirklich neu sind. Da scheint vielleicht das Risiko ein bisschen höher zu sein, aber man kann auch mehr tun. Außerdem halte ich die Mentorschaft für etwas ganz Wesentliches. Dass sie aufgrund des Massenwettbewerbs heute kaputtgeht, finde ich extrem schade.

Herr Genzel, ganz herzlichen Dank für dieses Gespräch.