S301 kiitää mustan aukon ympäri – sen rata voi paljastaa Sagittarius A*:n pyörimisen

S301 on samalla poikkeuksellisen himmeä. Sen K-kaistan magnitudiksi on ilmoitettu noin 19,3. Tutkijat pitävät sitä todennäköisesti pääsarjan tähtenä, mutta himmeys vaikeuttaa sen ominaisuuksien tarkkaa määrittämistä.

Tähti löytyi GRAVITY-havainnoista

GRAVITY-yhteistyö löysi S301:n keväällä 2023 Euroopan eteläisen observatorion ESO:n Very Large Telescope Interferometer -interferometrillä. GRAVITY-instrumentti pystyy yhdistämään useiden teleskooppien havaintoja ja mittaamaan Linnunradan keskustan kohteiden sijainteja erittäin tarkasti.

S301 havaittiin noin 15 millikaarisekunnin päässä Sagittarius A*:sta luoteeseen. Seuraavien vuoden 2023 havaintojen aikana tähti liikkui ulospäin nopeasti ja hieman kaartuvalla radalla.

Kun tutkijat olivat arvioineet S301:n radan, he laskivat, missä tähden olisi pitänyt näkyä aiemmissa havainnoissa. Tähti löytyi GRAVITYn arkistotiedoista ensin vuodelta 2021 ja sitten vuodelta 2017. Näin havaintojen aikaväli piteni, mikä vahvisti tulkintaa tähden radasta.

Rata on silti vielä alustava. Tutkijoilla ei toistaiseksi ole S301:stä säteisnopeusmittausta, joka kertoisi tähden liikkeestä suoraan havaitsijan ja kohteen välisessä suunnassa. Tulevat havainnot ovat siksi ratkaisevia, kun sen kolmiulotteista liikettä ja radan parametreja tarkennetaan.

Voisiko S301 mitata mustan aukon pyörimisen?

Pyörivä musta aukko ei ainoastaan vedä lähellä olevia kappaleita puoleensa. Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan sen pyörimismäärä voi myös vetää ympäröivää aika-avaruutta mukaansa. Tätä ilmiötä kutsutaan kehysvedoksi eli Lense–Thirringin precessioksi.

Tähden radalla vaikutus voi vähitellen muuttaa ratatason suuntaa. Ilmiö heikkenee nopeasti etäisyyden kasvaessa, joten S301:n pieni lähin etäisyys tekee siitä paljon herkemmän Sagittarius A*:n pyörimiselle kuin tähdet, jotka kiertävät kauempana.

Jos S301:n sijaintia mitataan vuodesta toiseen riittävän tarkasti, tutkijat voivat etsiä pieniä, vähitellen kertyviä muutoksia sen radassa. Niitä voidaan verrata siihen, mitä odotettaisiin nopeasti pyörivän mustan aukon tapauksessa – ja siihen, mitä tapahtuisi, jos Sagittarius A* ei pyörisi lainkaan.

Kyse on kuitenkin tulevaisuuden mahdollisuudesta, ei vielä tehdystä pyörimismittauksesta. S301:n seuraavan lähiohituksen odotetaan tapahtuvan loppuvuodesta 2031. Jatkuvat mittaukset ennen sitä ja noin vuosikymmenen ajan sen jälkeen voivat osoittaa, sopiiko kertynyt liike nopeasti pyörivään vai lähes paikallaan olevaan Sagittarius A*:han.

Pidemmän aikavälin testi mustien aukkojen ”karvattomuudelle”

S301 voi tarjota myöhemmin myös vielä vaativamman testin: mustan aukon kvadrupolimomentin mittaamisen. Se kuvaa sitä, miten pyöriminen muokkaa mustan aukon gravitaatiokentän rakennetta pelkkää massaa ja pyörimistä tarkemmin.

Yleisen suhteellisuusteorian Kerr-ratkaisussa eristetyn mustan aukon ulkopuolelta mitattavat ominaisuudet määräytyvät massan ja pyörimisen perusteella. Astrofysikaalisen mustan aukon sähkövarauksen odotetaan olevan käytännössä merkityksetön. Tämän massan, pyörimisen ja kvadrupolimomentin välisen ennustetun yhteyden testaaminen tutkisi niin sanottua no-hair-teoreemaa eli mustien aukkojen ”karvattomuusteoreemaa”.

Kvadrupolimomentin mittaaminen olisi kuitenkin huomattavasti vaikeampaa kuin pyörimisen havaitseminen. Signaali on pienempi, ja sen voivat sekoittaa muiden tähtien tai galaktisen keskustan lähellä piileskelevien tiiviiden kohteiden aiheuttamat gravitaatiohäiriöt. Siksi tutkijat pitävät tätä pidemmän aikavälin tavoitteena, eivät varmana tuloksena.

Seuraavaksi tarvitaan vuosien seurantaa

Lähin tavoite on jatkaa S301:n seuraamista ja parantaa sen radan mallia. Uudet mittaukset voivat paljastaa tähden säteisliikkeen, tarkentaa lähiohituksen ajankohdan ja etäisyyden sekä auttaa erottamaan suhteellisuusteorian vaikutukset ympäröivän tähtijoukon aiheuttamista epävarmuuksista.

Jos ennustettu rata pitää paikkansa, S301:stä voi tulla poikkeuksellisen herkkä testi sille, miten supermassiivinen musta aukko pyörii ja miten sen pyöriminen vääntää lähellä olevaa aika-avaruutta. Ennätystahti on näyttävä otsikko, mutta tähden todellinen tieteellinen arvo on siinä, että himmeä ja nopeasti liikkuva tähti voi toimia Sagittarius A*:n tarkkuusluotaimena.