S301: de snelste ster bij Sagittarius A* kan de draaiing van het zwarte gat onthullen

S301 is een zwakke ster met een uitzonderlijke baan rond Sagittarius A*, het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Op het dichtste punt van haar omloop kan de ster een snelheid van ongeveer 25.000 kilometer per seconde bereiken: circa 8 procent van de lichtsnelheid. Tegelijkertijd komt ze dichter bij het zwarte gat dan elke andere bekende ster.

De snelheid is indrukwekkend, maar de kleine afstand maakt S301 vooral wetenschappelijk interessant. Haar beweging kan astronomen helpen om de draaiing van Sagittarius A* te meten en Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen in een van de sterkste zwaartekrachtsvelden die vanaf de aarde kunnen worden onderzocht.

Een extreem langgerekte baan van 8,7 jaar

S301 volgt een sterk uitgerekte, bijna naaldvormige ellips. Eén volledige omloop duurt ongeveer 8,7 jaar. Sagittarius A* staat vrijwel aan een uiteinde van die ellips, waar de ster haar dichtste nadering — het pericentrum — maakt.

De afstand bij die nadering bedraagt naar verwachting ongeveer twaalf astronomische eenheden. Dat is ruwweg de afstand tussen de zon en Saturnus, en ongeveer 280 zwaartekrachtsstralen volgens de gerapporteerde baanmetingen.

Terwijl S301 naar het zwarte gat valt, wordt ze door de zwaartekracht sterk versneld. Bij haar hoogste snelheid is ze daarmee de snelste bekende ster die in de Melkweg is waargenomen en tegelijk de dichtst bekende stellaire sonde van Sagittarius A*.

S301 is bovendien uitzonderlijk zwak. De ster heeft een gerapporteerde K-bandmagnitude van ongeveer 19,3. Onderzoekers denken dat het waarschijnlijk om een hoofdreeksster gaat, maar haar geringe helderheid maakt een nauwkeurige karakterisering lastig.

Hoe S301 werd ontdekt

Het GRAVITY-team ontdekte S301 in het voorjaar van 2023 met het GRAVITY-instrument op de Very Large Telescope Interferometer van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). De ster stond toen ongeveer 15 milliboogseconden ten noordwesten van Sagittarius A*. In de maanden daarna zagen de onderzoekers haar naar buiten bewegen, met een snelle en licht gekromde beweging.

Op basis van de metingen uit 2023 maakten astronomen een eerste schatting van de baan. Vervolgens berekenden ze waar S301 in oudere waarnemingen zou moeten hebben gestaan. Zo vonden ze de ster ook terug in archiefgegevens uit 2021 en daarna in gegevens uit 2017. Die langere observatieperiode versterkt de interpretatie dat het inderdaad om een ster met deze extreme baan gaat.

De baanberekening is nog voorlopig. Zo ontbreekt op dit moment een meting van de radiale snelheid: de beweging van S301 in de richting van of juist van ons af. Nieuwe waarnemingen zijn daarom nodig om de driedimensionale beweging en de precieze baanparameters beter vast te leggen.

Waarom de baan iets kan onthullen over de spin

Een draaiend zwart gat trekt niet alleen materie aan. Volgens de algemene relativiteitstheorie kan zijn impulsmoment de ruimtetijd in de omgeving als het ware meesleuren. Dit verschijnsel heet frame-dragging, of het Lense-Thirring-effect.

Voor een ster in een baan kan frame-dragging de stand van het baanvlak geleidelijk veranderen. Het effect neemt snel af naarmate de afstand tot het zwarte gat groter wordt. Omdat S301 zo dicht langs Sagittarius A* scheert, is haar baan veel gevoeliger voor dit effect dan die van sterren die verder weg bewegen.

Door S301 telkens opnieuw uiterst nauwkeurig te positioneren, kunnen astronomen zoeken naar kleine, zich opstapelende veranderingen in haar baan. Die kunnen vervolgens worden vergeleken met de verschuivingen die worden verwacht bij een snel draaiend zwart gat en bij een niet-roterend zwart gat.

Dat betekent niet dat de spin al is gemeten. Het gaat om een toekomstige mogelijkheid. Volgens de huidige verwachtingen zal S301 eind 2031 opnieuw haar dichtste punt bereiken. Waarnemingen in de jaren daarvoor en ongeveer tien jaar daarna kunnen bepalen of haar beweging overeenkomt met een snel draaiend of een nagenoeg stationair Sagittarius A*.

Een zwaardere test: het no-hair-theorema

Op langere termijn kan S301 misschien ook helpen bij een nog moeilijkere meting: het quadrupoolmoment van het zwarte gat. Dat beschrijft hoe de draaiing de vorm van het zwaartekrachtsveld beïnvloedt, boven op de eenvoudigere effecten van massa en spin.

In de Kerr-oplossing van de algemene relativiteitstheorie worden de van buitenaf meetbare eigenschappen van een geïsoleerd zwart gat bepaald door zijn massa en draaiing. Elektrische lading zou bij een astrofysisch zwart gat naar verwachting verwaarloosbaar zijn. Door de voorspelde relatie tussen spin en quadrupoolmoment te testen, kunnen onderzoekers het zogenoemde no-hair-theorema onder de loep nemen.

Die meting is aanzienlijk moeilijker dan het vaststellen van de spin. Het signaal van het quadrupoolmoment is kleiner en kan worden verward met zwaartekrachtsverstoringen door andere sterren of onzichtbare compacte objecten in het centrum van de Melkweg. Daarom beschouwen onderzoekers dit als een mogelijk langetermijndoel, niet als een gegarandeerd resultaat.

Wat gebeurt er nu?

De eerste prioriteit is het blijven volgen van S301 en het verbeteren van de baanberekening. Extra metingen kunnen de radiale beweging vastleggen, de timing en afstand van het pericentrum verfijnen en relativistische effecten onderscheiden van onzekerheden in de omliggende sterrenomgeving.

Als de voorspelde baan standhoudt, wordt S301 een uitzonderlijk gevoelige meetlat voor de manier waarop een superzwaar zwart gat draait en de ruimtetijd eromheen beïnvloedt. Haar recordsnelheid trekt de aandacht, maar haar echte wetenschappelijke waarde ligt in iets anders: een zwakke, snel bewegende ster kan uitgroeien tot een precisie-instrument voor het onderzoeken van Sagittarius A*.