Den hurtigste kendte stjerne tæt på Sagittarius A* kan afsløre det sorte huls spin

S301 er en svag stjerne med den hidtil tætteste og hurtigste kendte bane omkring Sagittarius A* (Sgr A*) – det supermassive sorte hul i centrum af Mælkevejen. Når stjernen når sit nærmeste punkt, forventes den at komme op på cirka 25.000 kilometer i sekundet, svarende til omkring 8 procent af lysets hastighed. Samtidig passerer den kun omtrent 12 gange afstanden mellem Jorden og Solen fra det sorte hul.

Det opsigtsvækkende er derfor ikke kun farten. Det afgørende er, at S301 kommer så tæt på Sgr A*. Dens bane kan give astronomer en ny måde at måle det sorte huls rotation på og undersøge Einsteins generelle relativitetsteori i et af de stærkeste tyngdefelter, vi kan observere.

En ekstrem bane på 8,7 år

S301 følger en meget aflang, næsten nåletynd ellipse med en omløbstid på cirka 8,7 år. Sgr A* befinder sig tæt på den ene ende af ellipsen, hvor stjernen svinger forbi sit nærmeste punkt – det såkaldte pericenter.

Afstanden ved pericenter er beregnet til omkring 12 astronomiske enheder. Det svarer omtrent til afstanden mellem Solen og Saturn og til cirka 280 gravitationsradier i de rapporterede målinger af banen.

Når S301 falder ind mod det sorte hul, accelererer tyngdekraften stjernen voldsomt. Den forudsagte topfart på omkring 25.000 km/s gør den til den hurtigste kendte stjerne, der er observeret i Mælkevejen, og til den nærmeste kendte stjerne, der kan bruges som sonde af Sgr A*.

S301 er desuden usædvanligt lyssvag med en rapporteret K-båndsmagnitud på cirka 19,3. Forskerne vurderer, at den sandsynligvis er en hovedseriestjerne, men lysstyrken gør det vanskeligt at bestemme dens egenskaber præcist.

Sådan blev S301 fundet

GRAVITY-holdet opdagede S301 i foråret 2023 med instrumentet GRAVITY på European Southern Observatorys Very Large Telescope Interferometer. Stjernen befandt sig omkring 15 millibuesekunder nordvest for Sgr A* og bevægede sig derefter væk fra det sorte hul. Observationerne viste en hurtig og let krummet bevægelse i løbet af 2023.

Da forskerne havde beregnet et foreløbigt bud på S301’s bane, søgte de i ældre GRAVITY-observationer efter de positioner, hvor stjernen burde have befundet sig. De fandt den i arkivdata fra 2021 og derefter i observationer fra 2017. Det forlængede observationsperioden og styrkede fortolkningen af, at der er tale om en stjerne i en ekstrem bane omkring Sgr A*.

Banen er dog stadig foreløbig. Forskerne har endnu ikke en måling af S301’s radialhastighed – altså dens bevægelse hen imod eller væk fra os. Fremtidige observationer bliver derfor vigtige for at fastlægge stjernens tredimensionelle bevægelse og banens præcise parametre.

Kan stjernen afsløre det sorte huls spin?

Et roterende sort hul tiltrækker ikke blot stof gennem sin tyngdekraft. Ifølge den generelle relativitetsteori kan dets rotation også trække den omgivende rumtid med sig. Fænomenet kaldes rumtidsvridning eller Lense-Thirring-præcession.

For en stjerne i kredsløb kan denne effekt gradvist ændre retningen på baneplanet. Effekten aftager kraftigt med afstanden, og derfor er S301 mere følsom over for Sgr A*’s rotation end stjerner, der kredser længere væk. Ved igen og igen at måle S301’s position med høj præcision kan astronomer lede efter de små, ophobede ændringer, som et roterende sort hul bør skabe.

Det er dog en mulighed for fremtidige målinger – ikke en allerede gennemført påvisning af Sgr A*’s spin. Fortsatte astrometriske observationer frem mod det forventede tætte møde i slutningen af 2031 og i omkring et årti derefter kan vise, om stjernens bevægelse passer bedst med et hurtigt roterende eller et ikke-roterende sort hul.

En langsigtet test af no-hair-teoremet

På længere sigt kan S301 måske bruges til en endnu mere krævende test: en måling af det sorte huls kvadrupolmoment. Det beskriver, hvordan rotation påvirker formen af det sorte huls gravitationsfelt ud over de mere grundlæggende virkninger fra masse og spin.

I Kerr-løsningen fra den generelle relativitetsteori bestemmes et isoleret sort huls målbare egenskaber udefra af dets masse og rotation. Den elektriske ladning forventes at være ubetydelig for et astrofysisk sort hul. En test af den forudsagte sammenhæng mellem spin og kvadrupolmoment vil derfor kunne undersøge det såkaldte no-hair-teorem.

En sådan måling er langt vanskeligere end at måle rotationen. Signalet fra kvadrupolmomentet er mindre og kan forveksles med tyngdeforstyrrelser fra andre stjerner eller usete kompakte objekter nær Mælkevejens centrum. Forskerne beskriver derfor målingen som et muligt langsigtet mål – ikke som et sikkert resultat.

Hvad sker der nu?

Det første mål er at fortsætte overvågningen af S301 og forbedre beregningen af dens bane. Flere målinger kan fastslå stjernens bevægelse langs synsretningen, gøre tidspunktet og afstanden ved pericenter mere præcise og hjælpe med at skelne relativistiske effekter fra usikkerheder i det tætte stjernemiljø omkring Sgr A*.

Hvis den forudsagte bane holder, kan S301 blive en usædvanligt følsom test af, hvordan et supermassivt sort hul roterer, og hvordan rotationen påvirker den omgivende rumtid. Farten er den spektakulære del af historien. Den egentlige videnskabelige værdi ligger i, at en svag og hastigt bevægende stjerne kan fungere som et præcisionsværktøj til at undersøge Sagittarius A*.