S301: nejrychlejší známá hvězda míří k černé díře v centru Mléčné dráhy

V pericentru se S301 dostává přibližně do vzdálenosti 280 gravitačních poloměrů od černé díry, tedy o něco více než 12 astronomických jednotek. Astronomická jednotka odpovídá průměrné vzdálenosti Země od Slunce. Přiblížení S301 je proto zhruba srovnatelné se vzdáleností Slunce a Saturnu.

Ve srovnání s dobře známou hvězdou S2 se S301 dostává k Sagittarius A* přibližně desetkrát blíže. S2 při svém nejbližším průletu v roce 2018 dosáhla rychlosti kolem 7 650 km/s, zatímco S301 může zrychlit až na přibližně 25 000 km/s.

Jak byla S301 objevena a ověřena

Výzkumníci ji zachytili v datech z přístroje GRAVITY, infračerveného interferometru pracujícího na Very Large Telescope Interferometer (VLTI) Evropské jižní observatoře v Chile. Pozorování centra Galaxie je mimořádně náročné: oblast je přeplněná hvězdami a Sagittarius A* se nachází v jasném, chaotickém prostředí. S301 je navíc velmi slabá.

Astronomové nejprve sledovali její polohu na obloze v datech z let 2023 až 2025 a sestavili předběžný model oběžné dráhy. Poté podle tohoto modelu předpověděli, kde se hvězda měla nacházet v minulosti. S301 se podařilo dohledat také v archivních pozorováních z let 2021 a 2017. To, že se slabý objekt objevil na předpovězených místech, poskytlo důležité potvrzení navržené dráhy.

Současná řešení však stále stojí především na přesném měření polohy hvězdy na obloze. Spektroskopie zatím neposkytla přímé měření její radiální rychlosti, tedy pohybu směrem k nám nebo od nás. Budoucí pozorování pomocí mimořádně velkých teleskopů by proto měla pomoci zrekonstruovat její úplnou trojrozměrnou dráhu.

Jak může S301 odhalit rotaci černé díry

Podle obecné relativity rotující černá díra strhává okolní časoprostor. Tento jev se označuje jako Lenseův–Thirringův efekt nebo strhávání vztažných soustav. V praxi může nepatrně měnit orientaci oběžné dráhy hvězdy — zejména její rovinu a polohu uzlu, tedy místa, kde dráha protíná referenční rovinu.

S301 se k Sagittarius A* dostává dost blízko na to, aby tento pohyb mohl být v příštích letech měřitelný současnou přesnou infračervenou interferometrií a budoucí spektroskopií. Pokud se podaří zachytit spinem vyvolanou precesi dráhy, vědci by mohli určit nejen velikost rotace černé díry, ale také směr její rotační osy.

Takové měření by rozšířilo dosavadní testy gravitace v centru Mléčné dráhy. U hvězdy S2 už astronomové změřili Schwarzschildovu precesi, tedy posun dráhy způsobený především hmotností černé díry. S301 by poprvé mohla nabídnout přímější pohled na důsledky rotující černé díry popsané Kerrovým řešením Einsteinových rovnic obecné relativity.

Co může přinést průlet v roce 2031

Další nejbližší průlet S301 se očekává přibližně v roce 2031. Husté sledování její polohy i spektra v tomto období by mělo být pro měření relativistických změn nejcennější. Pokud budou data dostatečně přesná, může být možné přímo určit spin Sagittarius A* z Lenseova–Thirringova strhávání časoprostoru.

Měření kvadrupólového momentu černé díry je však výrazně obtížnější. Tento moment popisuje další, jemnější strukturu gravitačního pole související s rotací. Odhaduje se, že u S301 bude příslušný spinem vyvolaný signál jen asi čtyřprocentní ve srovnání s Lenseovým–Thirringovým efektem, a pro tuto dráhu je proto považován za zanedbatelný.

Z toho plyne důležité omezení: samotný průlet S301 v roce 2031 pravděpodobně nebude stačit k rozhodujícímu testu takzvaného teorému bez vlasů. Podle něj je astrofyzikální černá díra v rámci obecné relativity určena pouze svou hmotností a spinem; její kvadrupólový moment je pak těmito veličinami pevně dán.

K ověření této předpovědi by bylo potřeba spolehlivě změřit i velmi malý kvadrupólový příspěvek. To může vyžadovat ještě bližší hvězdy, více vhodných hvězdných drah nebo jinou pozorovací metodu. S301 tak nejspíš nebude okamžitým „řešením“ všech otázek kolem Sagittarius A*, ale představuje mimořádně citlivou sondu pro první přímé měření rotace této černé díry.