Den hidtil nærmeste og hurtigste stjerne omkring Sagittarius A*

En stjerne på ekstrem kurs

Astronomer har identificeret S301 som den hidtil nærmeste og hurtigste kendte stjerne, der kredser om Mælkevejens centrale supermassive sorte hul, Sagittarius A* – ofte forkortet Sgr A*. Stjernen når en topfart på omkring 25.000 km/s, svarende til mere end 8 procent af lysets hastighed, når den svinger forbi det sorte hul.

S301 gennemfører et helt omløb på 8,7 år. Det er kortere end den tidligere rekord for en stjerne omkring Sagittarius A*, som havde en omløbstid på omkring 12 år. Banen er usædvanligt excentrisk med en excentricitet på cirka 0,982–0,983: Stjernen tilbringer det meste af tiden langt fra det sorte hul, men accelererer gennem området med den stærkeste tyngdekraft ved sit pericenter – banens nærmeste punkt.

Ved pericenter kommer S301 ned på omtrent 280 gravitationsradier fra Sagittarius A*, eller lidt over 12 astronomiske enheder. En astronomisk enhed er den gennemsnitlige afstand mellem Jorden og Solen. Afstanden til S301 kan derfor sammenlignes med afstanden mellem Solen og Saturn.

Det gør S301 omkring ti gange tættere på det sorte hul end S2, den stjerne hvis bane hidtil har været et af de vigtigste værktøjer til at teste relativitet i Mælkevejens centrum.

Sådan blev S301 fundet

S301 er meget svag med en K-båndsmagnitude på cirka 19,3. Samtidig er galaksens centrum et tæt og lysende område, hvor mange stjerner ligger næsten oven i hinanden set fra Jorden. Alligevel lykkedes det forskerne at finde stjernen med GRAVITY – et nærinfrarødt interferometer ved Den Europæiske Sydobservatorieorganisation ESO's Very Large Telescope Interferometer i Chile.

Forskerne målte S301's position i GRAVITY-data fra 2023 til 2025 og tilpassede en foreløbig model for dens bane. Derefter brugte de modellen til at forudsige, hvor stjernen burde have befundet sig i ældre observationer. S301 blev efterfølgende genfundet i arkivdata fra både 2021 og 2017.

At den nye model kunne forudsige stjernens tidligere positioner og derefter finde den dér, gav en vigtig bekræftelse af, at den svage kilde faktisk følger den foreslåede bane.

Der findes dog endnu ingen direkte spektroskopisk måling af S301's radialhastighed – altså dens bevægelse mod eller væk fra Jorden. Den nuværende bane bygger derfor primært på meget præcise målinger af stjernens position på himlen. Spektroskopi med fremtidige ekstremt store teleskoper kan give en mere komplet tredimensionel beskrivelse af omløbet.

Derfor kan banen afsløre det sorte huls spin

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori trækker et roterende sort hul den omgivende rumtid en smule med sig. Fænomenet kaldes Lense-Thirring-effekten eller frame dragging – på dansk ofte oversat til rumtidsmedrivning.

For en stjerne i en hældende bane kan effekten langsomt dreje banens plan og dens knudelinje. Fordi S301 kommer så tæt på Sagittarius A*, kan denne lille ændring i banens retning muligvis måles med den nuværende infrarøde interferometri kombineret med fremtidige spektroskopiske observationer. En måling vil kunne begrænse både størrelsen og retningen af Sagittarius A*'s spin.

Det vil være et nyt skridt i undersøgelserne af Mælkevejens centrum. Med S2 har astronomer allerede målt den masseafhængige Schwarzschild-præcession – en drejning af selve banens orientering, som skyldes det sorte huls tyngdefelt. S301 kan i stedet gøre det muligt at undersøge den roterende Kerr-løsning, som følger af Einsteins teori.

Hvad kan 2031-observationerne vise?

S301 forventes at nå sin næste tætte passage omkring 2031. Tæt overvågning af stjernens position og spektrum før, under og efter passagen vil give forskerne det bedste grundlag for at se relativistiske ændringer i banen. Det kan i bedste fald føre til en direkte måling af Sagittarius A*'s spin gennem Lense-Thirring-præcession.

Men det er vigtigt at skelne mellem at måle spin og at teste hele no-hair-teoremet.

Det sorte huls kvadrupolmoment – et mål for, hvordan dets massefordeling afviger fra en perfekt kugle på grund af rotation – er langt vanskeligere at bestemme. For S301 ventes signalet fra spin-kvadrupolleddet kun at være omkring 4 procent af Lense-Thirring-effekten. Det regnes derfor som ubetydeligt for netop denne bane.

No-hair-teoremet siger i denne sammenhæng, at et sort hul i Kerr-beskrivelsen grundlæggende bestemmes af sin masse og sit spin. For at teste teoremet skal man derfor også undersøge, om kvadrupolmomentet har den værdi, som massen og spin'et forudsiger. Der er ikke tilstrækkeligt grundlag for at hævde, at S301's passage i 2031 alene kan levere den test.

En sådan måling vil sandsynligvis kræve stjerner, der kommer endnu tættere på, flere egnede stjernebaner eller en anden observationsmetode. S301 kan dermed blive et stærkt værktøj til at måle Sagittarius A*'s rotation – men den fulde prøve af det sorte huls geometri ligger stadig længere ude i fremtiden.