S301 scheert met 25.000 kilometer per seconde langs het zwarte gat in het hart van de Melkweg

Een recordbaan rond het zwarte gat

Astronomen hebben de zwakke ster S301 geïdentificeerd als de dichtstbijzijnde én snelste bekende ster die rond Sagittarius A* (Sgr A*) draait, het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Bij haar dichtste passage versnelt S301 tot ongeveer 25.000 kilometer per seconde — ruim 8 procent van de lichtsnelheid. Daarmee is ze de snelste bekende ster in onze Melkweg.

S301 heeft een omlooptijd van 8,7 jaar en een excentriciteit van ongeveer 0,982–0,983. Dat betekent dat haar baan vrijwel naaldvormig is: de ster brengt het grootste deel van haar tijd op grote afstand door, maar schiet tijdens haar periheum — het punt dat het dichtst bij het zwarte gat ligt — kort door het gebied waar de zwaartekracht extreem sterk is.

Bij die passage komt S301 op iets meer dan 12 astronomische eenheden van Sagittarius A*. Een astronomische eenheid is de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon. De afstand van S301 is dus ongeveer vergelijkbaar met de afstand van de zon tot Saturnus. Vergeleken met S2, de bekendste ster rond Sgr A*, komt S301 ongeveer tien keer dichter bij het zwarte gat.

Hoe werd S301 gevonden?

S301 is uitzonderlijk zwak — haar helderheid in de K-band bedraagt ongeveer 19,3 magnituden — en bevindt zich in het zeer drukke en heldere centrum van de Melkweg. Toch konden onderzoekers haar detecteren met GRAVITY, een nabij-infraroodinterferometer op de Very Large Telescope Interferometer (VLTI) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) in Chili.

De onderzoekers bepaalden de positie van de ster in GRAVITY-waarnemingen uit 2023 tot en met 2025 en pasten daar een voorlopig baanmodel op toe. Vervolgens gebruikten ze dat model om te voorspellen waar S301 in oudere gegevens zou moeten staan. De ster werd inderdaad teruggevonden in archiefwaarnemingen uit 2021 en 2017. Die succesvolle voorspelling achteraf vormde een belangrijke bevestiging dat het om één zwakke ster gaat die de voorgestelde baan volgt.

Een directe spectroscopische meting van de radiale snelheid — de beweging naar ons toe of van ons af — is nog niet gelukt. De huidige baanberekening steunt daarom vooral op uiterst nauwkeurige positiemetingen aan de hemel. Spectroscopie met toekomstige extreem grote telescopen moet helpen om de volledige driedimensionale baan beter vast te leggen.

Waarom de spin van Sagittarius A* meetbaar kan worden

Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie sleept een draaiend zwart gat de ruimtetijd in zijn omgeving mee. Dit verschijnsel heet frame-dragging of het Lense-Thirring-effect. Bij een ster die dicht genoeg langs een zwart gat beweegt, kan dit de baanrichting geleidelijk laten verschuiven: het baanvlak en de knoop — het snijpunt van dat baanvlak met een referentievlak — gaan precesseren.

S301 komt dicht genoeg bij Sgr A* om die kleine verschuiving mogelijk waarneembaar te maken met huidige infraroodinterferometrie en toekomstige spectroscopie. Door de baan rond de volgende dichte passage nauwkeurig te volgen, kunnen onderzoekers uiteindelijk zowel de grootte als de richting van de spin van het zwarte gat schatten.

Dat zou een nieuwe stap zijn in de relativiteitstests bij het galactische centrum. Met S2 is al een door de massa veroorzaakte Schwarzschild-precessie gemeten. S301 maakt het mogelijk om daarnaast te zoeken naar het effect van de draaiing zelf — een directe test van het roterende zwarte gat zoals beschreven door de Kerr-oplossing van Einsteins theorie.

Wat kan de passage in 2031 opleveren?

De verwachte periheumpassage rond 2031 is het belangrijkste toekomstige observatiemoment. Intensieve metingen van zowel de positie aan de hemel als de spectra van S301 kunnen de relativistische veranderingen in haar baan het duidelijkst zichtbaar maken. Dat zou een directe spinmeting via Lense-Thirring-precessie mogelijk kunnen maken.

Een meting van het quadrupoolmoment van het zwarte gat is veel moeilijker. Dit moment beschrijft een subtiele afwijking van een perfect bolsymmetrisch zwaartekrachtsveld die samenhangt met de draaiing. Voor S301 wordt het spin-quadrupoolsignaal geschat op slechts ongeveer 4 procent van het Lense-Thirring-effect; voor deze baan geldt het daarom als verwaarloosbaar.

Daarom is er op dit moment onvoldoende basis om te stellen dat alleen de passage van S301 in 2031 de no-hair-theorema zal testen. Die theorie voorspelt dat een astrofysisch zwart gat volledig wordt bepaald door zijn massa en spin; het quadrupoolmoment moet daar een vaste, door die eigenschappen bepaalde waarde hebben. Om dat kleine effect zelfstandig te meten zijn waarschijnlijk sterren nodig die nog dichterbij komen, meerdere geschikte sterbanen of een andere observatiemethode.