S301 corre verso Sagittarius A*: la stella più vicina e veloce mai osservata

Per la maggior parte del tempo la stella rimane relativamente lontana da Sagittarius A*. Poi, durante il passaggio al pericentro, attraversa rapidamente la regione in cui il campo gravitazionale è più intenso e gli effetti relativistici diventano più evidenti.

Nel punto più vicino, S301 arriva a circa 280 raggi gravitazionali da Sagittarius A*, cioè poco più di 12 unità astronomiche. È una distanza dello stesso ordine di quella tra il Sole e Saturno. Rispetto a S2, la stella finora più studiata vicino al buco nero, S301 si spinge circa dieci volte più vicino.

La velocità massima stimata è di circa 25.000 km/s: questo fa di S301 la stella più veloce mai osservata nella Via Lattea.

Come è stata individuata e confermata

La scoperta è stata possibile grazie a GRAVITY, l’interferometro nel vicino infrarosso installato sul Very Large Telescope Interferometer dell’Osservatorio europeo meridionale (ESO), in Cile. Osservare S301 non era semplice: la stella è estremamente debole e si trova in una regione affollata e molto luminosa, quella del centro galattico.

Gli astronomi hanno misurato con precisione la sua posizione nei dati raccolti da GRAVITY tra il 2023 e il 2025. Da queste misure hanno ricavato una prima soluzione orbitale e l’hanno usata per prevedere dove avrebbe dovuto trovarsi S301 in osservazioni precedenti.

La stella è stata poi ritrovata nei dati d’archivio del 2021 e del 2017. Il fatto che la previsione all’indietro individuasse effettivamente la sorgente ha fornito una conferma importante dell’orbita proposta.

Per ora, però, non è stata ottenuta una velocità radiale diretta tramite spettroscopia. La soluzione orbitale si basa quindi soprattutto sulle misure astrometriche, cioè sulla posizione apparente della stella nel cielo. La spettroscopia effettuata con futuri telescopi estremamente grandi dovrebbe contribuire a ricostruire con maggiore precisione l’orbita tridimensionale completa.

Perché la rotazione del buco nero può lasciare una traccia

Secondo la relatività generale, un buco nero in rotazione trascina leggermente lo spaziotempo circostante. Il fenomeno, noto come trascinamento di Lense-Thirring o frame dragging, può modificare nel tempo l’orientamento del piano orbitale di una stella inclinata.

Per S301, l’effetto più interessante sarebbe una lenta precessione del piano orbitale e della sua linea dei nodi. Misurando questo cambiamento, gli astronomi potrebbero ricavare sia l’intensità sia la direzione dello spin di Sagittarius A*.

Sarebbe un passo oltre ciò che è stato già osservato con S2. Nel caso di S2, le misure hanno rilevato la precessione di Schwarzschild, un effetto dovuto principalmente alla massa del buco nero. S301 potrebbe invece consentire di studiare direttamente l’impronta della sua rotazione, mettendo alla prova la descrizione di un buco nero rotante prevista dalla soluzione di Kerr della relatività generale.

Cosa potrebbe mostrare il passaggio del 2031

Un monitoraggio fitto della posizione di S301 e della sua velocità, soprattutto durante il passaggio previsto intorno al 2031, offrirebbe la migliore opportunità per individuare le piccole variazioni relativistiche della sua orbita. Con dati astrometrici e spettroscopici sufficientemente precisi, potrebbe diventare possibile una misura diretta dello spin di Sagittarius A* attraverso la precessione di Lense-Thirring.

Il momento di quadrupolo del buco nero è però molto più difficile da misurare. In termini semplici, descrive una possibile deviazione dalla distribuzione gravitazionale determinata soltanto dalla massa e dalla rotazione. Per S301, il segnale associato al quadrupolo indotto dallo spin è stimato intorno al 4% dell’effetto di Lense-Thirring e viene considerato trascurabile per questa orbita.

Per questo non ci sono elementi sufficienti per affermare che il solo passaggio di S301 nel 2031 potrà testare il teorema dei capelli senza capelli. Il teorema prevede che, in relatività generale, un buco nero astrofisico sia descritto essenzialmente da massa e spin, con il suo momento di quadrupolo fissato da queste due quantità. Verificare questa previsione richiederebbe misurare in modo indipendente anche il piccolo contributo del quadrupolo.

Un test completo potrebbe quindi aver bisogno di stelle ancora più vicine, di più orbite stellari adatte da confrontare oppure di tecniche osservative differenti. S301 non risolve da sola il problema, ma offre una nuova e concreta finestra per misurare lo spin di Sagittarius A* e per sottoporre la relatività generale a una prova in un regime gravitazionale estremo.