S301: Nejrychlejší hvězda u Sagittarius A* může odhalit rotaci černé díry

Hvězda S301 je slabý objekt na nejkratší a nejrychlejší známé hvězdné dráze kolem Sagittarius A* (Sgr A*) – superhmotné černé díry v centru Mléčné dráhy. Při největším přiblížení by měla dosáhnout rychlosti přibližně 25 000 kilometrů za sekundu, tedy asi 8 % rychlosti světla. Od černé díry ji přitom bude dělit vzdálenost odpovídající zhruba dvanáctinásobku vzdálenosti mezi Zemí a Sluncem.

Nejde však jen o rychlostní rekord. Klíčové je, že se S301 dostává k Sagittarius A* mimořádně blízko. Její pohyb by mohl astronomům nabídnout nový způsob, jak změřit rotaci černé díry a ověřit předpovědi obecné relativity v jednom z nejsilnějších gravitačních prostředí, které lze pozorovat.

Extrémní dráha dlouhá 8,7 roku

S301 obíhá po velmi protáhlé, téměř jehlicovité elipse. Jeden oběh jí trvá přibližně 8,7 roku a Sagittarius A* se nachází poblíž jednoho z konců této dráhy. Právě tam hvězda prochází bodem největšího přiblížení, který astronomové označují jako pericentrum.

Předpokládaná vzdálenost v pericentru činí asi 12 astronomických jednotek – přibližně tolik, jako je vzdálenost Slunce od Saturnu. V parametrech dráhy zveřejněných výzkumníky jde asi o 280 gravitačních poloměrů.

Jak S301 padá směrem k černé díře, její rychlost prudce roste. Předpokládané maximum kolem 25 000 km/s z ní dělá nejrychlejší známou hvězdu pozorovanou v Mléčné dráze a zároveň nejbližší známou hvězdnou sondu Sagittarius A*.

S301 je také mimořádně slabá. Její uváděná jasnost v K-pásmu činí přibližně 19,3 magnitudy. Výzkumníci ji považují za pravděpodobnou hvězdu hlavní posloupnosti, její přesné určení je však kvůli slabému světlu obtížné.

První záběry přišly v roce 2023

Tým spolupracující na instrumentu GRAVITY objevil S301 na jaře 2023. Přístroj GRAVITY je součástí interferometru Very Large Telescope Interferometer (VLTI) Evropské jižní observatoře, který dokáže kombinovat světlo z několika velkých dalekohledů a velmi přesně určovat polohu objektů poblíž galaktického středu.

Hvězda se tehdy nacházela asi 15 milisekund oblouku severozápadně od Sagittarius A*. Během následujících měsíců se pohybovala směrem od černé díry a její dráha se jevila jako rychlá a mírně zakřivená.

Když astronomové z těchto měření odvodili předběžný model dráhy, prohledali starší záznamy a hledali místa, kde se S301 měla nacházet. Znovu ji identifikovali v archivních datech z roku 2021 a následně i z roku 2017. Tím prodloužili časovou řadu pozorování a posílili interpretaci, podle níž jde o jedinou hvězdu na takto extrémní oběžné dráze.

Dráha je ale zatím pouze předběžná. Vědci dosud nemají měření radiální rychlosti, tedy pohybu hvězdy směrem k nám nebo od nás. Budoucí pozorování proto budou důležitá pro zpřesnění jejího trojrozměrného pohybu i dalších orbitálních parametrů.

Rotující černá díra strhává časoprostor

Podle obecné relativity rotující černá díra pouze nepřitahuje okolní objekty. Svým momentem hybnosti také strhává okolní časoprostor. Tento jev se označuje jako strhávání vztažných soustav, případně Lenseův–Thirringův jev.

U hvězdy obíhající kolem černé díry se může projevit postupnou změnou orientace roviny oběžné dráhy. Síla tohoto efektu s rostoucí vzdáleností rychle klesá. Proto je S301 díky svému malému pericentru k rotaci Sagittarius A* citlivější než hvězdy na širších drahách.

Astronomové budou muset její polohu opakovaně měřit s mimořádnou přesností. Mohli by tak hledat drobné, ale postupně se hromadící změny dráhy, které předpovídá model rotující černé díry. Zároveň je bude možné porovnat s posuny očekávanými v případě, že by Sagittarius A* nerotovala.

To však zatím není naměřený výsledek, nýbrž příležitost do budoucna. Pokračující astrometrická pozorování před očekávaným průletem na konci roku 2031 a přibližně deset let po něm by mohla ukázat, zda se pohyb S301 shoduje s rychle rotující, nebo s prakticky neotáčející se černou dírou.

Dlouhodobý test teorému bez vlasů

S301 může časem umožnit ještě náročnější zkoušku: měření kvadrupólového momentu černé díry. Ten popisuje, jak rotace ovlivňuje tvar jejího gravitačního pole nad rámec jednodušších účinků hmotnosti a spinu.

V Kerrově řešení obecné relativity jsou vnější vlastnosti izolované černé díry určeny její hmotností a rotací; elektrický náboj se u astrofyzikálních černých děr očekává jako zanedbatelný. Ověření předpovězeného vztahu mezi rotací a kvadrupólovým momentem by proto představovalo test takzvaného teorému bez vlasů.

Takové měření je ovšem podstatně obtížnější než samotné určení spinu. Signál kvadrupólového momentu je slabší a mohl by se zaměnit za gravitační poruchy způsobené dalšími hvězdami nebo dosud nepozorovanými kompaktními objekty v okolí galaktického středu. Výzkumníci ho proto popisují jako dlouhodobý možný cíl, nikoli jako zaručený výsledek.

Co bude následovat

Nejbližším úkolem je S301 dál sledovat a zpřesnit model její dráhy. Nová měření mohou určit radiální pohyb hvězdy, zpřesnit okamžik i vzdálenost pericentra a pomoci oddělit relativistické efekty od nejistot způsobených okolním hvězdným prostředím.

Pokud se předpovězená dráha potvrdí, nabídne S301 neobvykle citlivý test toho, jak se superhmotná černá díra otáčí a jak její rotace ovlivňuje okolní časoprostor. Rychlost 25 000 km/s je působivý rekord. Skutečná vědecká hodnota této slabé hvězdy však spočívá v tom, že se může proměnit v přesnou sondu Sagittarius A*.