Ennätyksellinen tähti syöksyy kohti Linnunradan keskuksen mustaa aukkoa

S301 on lähin ja nopein tunnettu tähti, joka kiertää Linnunradan keskustan supermassiivista mustaa aukkoa Sagittarius A*:ta. Se saavuttaa lähiohituksensa aikana noin 25 000 kilometrin sekuntinopeuden – yli kahdeksan prosenttia valonnopeudesta – ja kiertää mustan aukon kerran 8,7 vuodessa.

Millainen S301:n ennätysrata on?

S301 on hyvin himmeä pääsarjan tähti, jonka infrapunaisen K-kaistan magnitudi on noin 19,3. Sen rata on poikkeuksellisen eksentrinen eli soikea: eksentrisyys on noin 0,982–0,983.

Lähimpänä Sagittarius A*:ta tähti käy noin 280 gravitaatiosäteen päässä, hieman yli 12 astronomisen yksikön eli AU:n etäisyydellä. Se on suunnilleen samaa luokkaa kuin Auringon ja Saturnuksen välimatka. S2, aiemmin tunnetuin mustaa aukkoa lähestyvä tähti, käy lähimmillään noin kymmenen kertaa kauempana.

Radan erittäin pitkänomaisen muodon vuoksi S301 viettää suurimman osan ajastaan kaukana mustasta aukosta. Lähiohituksen kohdalla se kuitenkin syöksyy nopeasti voimakkaan gravitaation alueen läpi. Juuri tuohon lyhyeen vaiheeseen keskittyvät monet mitattavissa olevat suhteellisuusteorian vaikutukset.

Miten tähti löydettiin ja varmistettiin?

Tutkijat havaitsivat S301:n Euroopan eteläisen observatorion ESO:n Very Large Telescope Interferometer -interferometrin GRAVITY-laitteella. Havainto oli haastava, sillä tähti on erittäin himmeä ja sijaitsee Linnunradan keskuksen kirkkaassa, tähtien täyttämässä ympäristössä.

S301:n sijaintia taivaalla mitattiin GRAVITY-havainnoista vuosina 2023–2025. Näiden tietojen perusteella tutkijat sovittivat tähdelle alustavan kiertoradan. Sen jälkeen he käyttivät rataa ennustamaan, missä tähti olisi näkynyt vanhemmissa aineistoissa – ja löysivät S301:n arkistohavainnoista vuosilta 2021 ja 2017. Takautuva ennustus ja onnistunut löytö vahvistivat, että himmeä kohde todella liikkuu ehdotetulla radalla.

S301:n säteisnopeutta ei kuitenkaan ole vielä saatu mitattua suoraan spektroskopialla. Nykyinen ratamalli perustuu siksi pääasiassa erittäin tarkkoihin sijaintimittauksiin. Tulevien erittäin suuren teleskoopin havaintojen ja spektroskopian odotetaan tarkentavan tähden koko kolmiulotteista rataa.

Miksi S301 voi paljastaa mustan aukon pyörimisen?

Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan pyörivä musta aukko vetää aika-avaruutta mukaansa. Ilmiötä kutsutaan Lense–Thirringin kehysvetämiseksi. Se voi muuttaa lähellä kiertävän, kallistuneella radalla liikkuvan tähden ratatasoa ja radan solmukohtaa vähitellen.

S301 käy niin lähellä Sagittarius A*:ta, että tämä pyörimisestä johtuva ratatason kiertyminen saattaa olla havaittavissa nykyisellä infrapuna-interferometrialla ja tulevalla spektroskopialla. Jos vaikutus mitataan, tutkijat voisivat rajoittaa sekä mustan aukon pyörimisen voimakkuutta että sen suuntaa.

Tulos täydentäisi S2-tähdellä tehtyjä mittauksia. S2:n radalla on havaittu massan aiheuttamaa Schwarzschildin prekessiota eli radan suunnan muuttumista. S301 voisi viedä testin seuraavalle tasolle: sen avulla voitaisiin tutkia pyörivää Kerrin mustaa aukkoa koskevaa ennustetta, joka seuraa yleisestä suhteellisuusteoriasta.

Mitä vuoden 2031 lähiohitus voisi selvittää?

S301:n seuraavan lähiohituksen odotetaan tapahtuvan noin vuonna 2031. Tiivis sijainti- ja spektroskopiahavaintojen seuranta tuolloin olisi paras mahdollisuus mitata tähden relativistisia ratamuutoksia. Se voisi mahdollistaa Sagittarius A*:n pyörimisen suoran mittauksen kehysvetämisen aiheuttaman solmuprekession avulla.

Mustan aukon kvadrupolimomentin mittaaminen olisi huomattavasti vaikeampaa. S301:n tapauksessa spinin ja kvadrupolimomentin yhteisvaikutuksen ennustetaan olevan vain noin neljä prosenttia Lense–Thirringin vaikutuksesta, joten sitä pidetään tällä radalla käytännössä vähäisenä.

Siksi ei ole riittäviä perusteita väittää, että S301:n vuoden 2031 ohitus yksin testaisi niin sanottua karvattomuusteoreemaa. Teoreeman mukaan mustan aukon ominaisuudet määräytyvät massan ja pyörimisen perusteella, jolloin myös kvadrupolimomentin pitäisi saada näistä määräytyvä arvo. Näin pienen vaikutuksen erottaminen vaatisi todennäköisesti vielä lähempänä kiertäviä tähtiä, useita sopivia tähtien ratoja tai jonkin muun havaintomenetelmän.