S301: הכוכב המהיר ביותר ליד החור השחור במרכז שביל החלב

S301 הוא כוכב חיוור שמקיף את סגיטריוס A* — החור השחור העל־מסיבי שבמרכז שביל החלב — במסלול ההדוק והמהיר ביותר שנצפה עד כה. בנקודה הקרובה ביותר שלו לחור השחור הוא צפוי להגיע למהירות של כ־25,000 קילומטרים בשנייה, כלומר כ־8% ממהירות האור, בעודו חולף במרחק של כ־12 יחידות אסטרונומיות — פי 12 מהמרחק הממוצע בין כדור הארץ לשמש.

החשיבות של התגלית אינה מסתכמת במהירות השיא. המרחק הקטן במיוחד של S301 מסגיטריוס A* עשוי להפוך אותו ל״גשושית״ טבעית של הכבידה הקיצונית סביב החור השחור — כזו שתאפשר לאסטרונומים למדוד את סיבובו ולבחון תחזיות של תורת היחסות הכללית בסביבה עוצמתית במיוחד.

מסלול מוארך שנמשך 8.7 שנים

S301 נע במסלול אליפטי מוארך מאוד, כמעט דמוי מחט, שאורכו המחזורי הוא כ־8.7 שנים. סגיטריוס A* נמצא סמוך לאחד מקצות האליפסה, ושם הכוכב מגיע לנקודת ההתקרבות המרבית שלו — הפריאפסיס.

המרחק החזוי בנקודה זו הוא כ־12 יחידות אסטרונומיות, בקירוב המרחק בין השמש לשבתאי, וכ־280 רדיוסים כבידתיים לפי המדידות שדווחו עבור המסלול.

כאשר S301 נופל לעבר החור השחור, כוח הכבידה מאיץ אותו במהירות. שיא המהירות החזוי שלו, כ־25,000 קמ״שנייה, הופך אותו לכוכב המהיר ביותר שנצפה בשביל החלב ולגשושית הכוכבית הקרובה ביותר הידועה לסגיטריוס A*.

זהו גם כוכב חיוור במיוחד: עוצמת ההארה שלו בתחום K היא כ־19.3. החוקרים מעריכים שהוא ככל הנראה כוכב מהסדרה הראשית, אך קשה לקבוע את תכונותיו בדיוק בשל חולשת האור שלו.

כך זיהו אותו האסטרונומים

צוות GRAVITY זיהה את S301 באביב 2023 באמצעות מכשיר GRAVITY, המותקן באינטרפרומטר של הטלסקופ הגדול מאוד (VLTI) של מצפה הכוכבים הדרומי האירופי. הכוכב נראה אז כ־15 מילישניות קשת מצפון־מערב לסגיטריוס A*, ובחודשים שלאחר מכן התרחק ממנו בתנועה מהירה ומעט עקומה.

לאחר שהחוקרים השתמשו במדידות הללו כדי להעריך את מסלולו, הם חיפשו בתצפיות קודמות של GRAVITY את המיקומים שבהם הכוכב היה אמור להופיע. הם הצליחו לזהות אותו בנתוני ארכיון מ־2021, ולאחר מכן גם בנתונים מ־2017. כך הוארך בסיס התצפיות, וההסבר שלפיו מדובר בכוכב במסלול קיצוני התחזק.

עם זאת, המסלול עדיין אינו סופי. בין היתר, החוקרים טרם השיגו מדידה של המהירות הרדיאלית של S301 — כלומר תנועתו לאורך קו הראייה מכדור הארץ. תצפיות עתידיות יהיו חשובות כדי לדייק את תנועתו התלת־ממדית ואת פרמטרי המסלול.

כיצד הכוכב עשוי למדוד את סיבוב החור השחור

חור שחור מסתובב אינו רק גוף שמושך אליו עצמים. לפי תורת היחסות הכללית, התנע הזוויתי שלו גורר את המרחב־זמן הסמוך סביבו. לתופעה זו קוראים ״גרירת מסגרת״, או פרצסיית לנזה–תירינג. עבור כוכב המקיף חור שחור, האפקט עשוי לשנות בהדרגה את הכיוון של מישור המסלול.

עוצמת האפקט נחלשת במהירות ככל שהמרחק גדל. לכן, נקודת ההתקרבות הקרובה במיוחד של S301 הופכת אותו לרגיש בהרבה לסיבובו של סגיטריוס A* בהשוואה לכוכבים הנעים במסלולים רחבים יותר.

אם האסטרונומים ימדדו שוב ושוב את מיקומו של S301 בדיוק גבוה, הם יוכלו לחפש שינויים קטנים ומצטברים במסלול — בדיוק השינויים הצפויים סביב חור שחור מסתובב — ולהשוות אותם לשינויים שהיו מתקבלים אילו החור השחור לא הסתובב.

חשוב להדגיש: זו עדיין אפשרות עתידית, לא מדידה שכבר הושגה. מעקב אסטרומטרי רציף לפני המעבר הקרוב הצפוי של S301 בסוף 2031, ובמשך כעשור לאחריו, עשוי להראות אם תנועתו המצטברת מתאימה לסגיטריוס A* המסתובב במהירות או לחור שחור שאינו מסתובב.

צעד רחוק יותר: בחינת משפט ״אין שיער״

בהמשך עשוי S301 לאפשר מבחן תובעני אף יותר: מדידה של המומנט המרובע של החור השחור. גודל זה מתאר כיצד הסיבוב משפיע על צורתו של שדה הכבידה, מעבר להשפעות הבסיסיות יותר של המסה והסיבוב.

בפתרון קר של תורת היחסות הכללית, התכונות שניתן למדוד מבחוץ של חור שחור מבודד נקבעות לפי המסה והסיבוב שלו; המטען החשמלי צפוי להיות זניח במקרה של חור שחור אסטרופיזיקלי. בדיקת הקשר החזוי בין הסיבוב למומנט המרובע תבחן את מה שמכונה ״משפט אין שיער״.

אלא שמדידה כזו קשה בהרבה ממדידת הסיבוב. האות של המומנט המרובע חלש יותר, והוא עלול להתבלבל עם הפרעות כבידתיות שמקורן בכוכבים אחרים או בעצמים קומפקטיים שאינם נראים בסביבת מרכז הגלקסיה. לכן החוקרים מציגים זאת כמטרה אפשרית לטווח ארוך — לא כתוצאה מובטחת.

מה צפוי לקרות עכשיו?

העדיפות המיידית היא להמשיך לעקוב אחר S301 ולשפר את התאמת המסלול. מדידות נוספות יוכלו לספק את המהירות הרדיאלית של הכוכב, לדייק את מועד המעבר הקרוב ואת מרחקו מסגיטריוס A*, ולסייע להפריד בין אפקטים יחסותיים לבין אי־ודאויות שנובעות מסביבת הכוכבים הצפופה במרכז שביל החלב.

אם המסלול החזוי אכן יתברר כנכון, S301 יציע מבחן רגיש במיוחד לאופן שבו חור שחור על־מסיבי מסתובב — ולדרך שבה הסיבוב הזה משפיע על המרחב־זמן סביבו. מהירות השיא היא הכותרת המסקרנת, אבל הערך המדעי האמיתי של הכוכב החיוור והמהיר טמון בכך שהוא עשוי להפוך לכלי מדידה מדויק של סגיטריוס A*.