Den raskeste stjernen nær Sagittarius A* kan avsløre det sorte hullets spinn

Stjernen er dessuten usedvanlig svak, med en oppgitt K-bånd-magnitud på omtrent 19,3. Forskerne mener den sannsynligvis er en hovedseriestjerne, men lysstyrken gjør det vanskelig å bestemme egenskapene dens med høy presisjon.

Slik ble S301 oppdaget

GRAVITY-teamet oppdaget S301 våren 2023 ved hjelp av GRAVITY-instrumentet på European Southern Observatorys Very Large Telescope Interferometer, et interferometer som kombinerer observasjoner fra flere av teleskopene i ESOs Very Large Telescope.

Stjernen befant seg rundt 15 millibuesekunder nordvest for Sgr A*. I løpet av observasjonene fra 2023 beveget den seg utover og viste en rask, svakt buet bevegelse.

Da forskerne hadde brukt disse målingene til å anslå S301s bane, lette de i eldre GRAVITY-observasjoner etter steder der stjernen burde ha vært. De fant den igjen i arkivdata fra 2021 og deretter i data fra 2017. Det utvidet observasjonsperioden og styrket tolkningen av at stjernen faktisk følger den beregnede banen.

Banemodellen er fortsatt foreløpig. Forskerne mangler blant annet fortsatt en måling av S301s radialhastighet – altså bevegelsen mot eller fra oss. Fremtidige observasjoner blir derfor viktige for å fastslå stjernens tredimensjonale bevegelse og finjustere baneparametrene.

Hvorfor banen kan avsløre spinnet

Et roterende sort hull gjør mer enn å trekke til seg objekter. Ifølge generell relativitetsteori kan hullets bevegelsesmengde påvirke og «dra med seg» den lokale romtiden. Effekten kalles rammedragning, eller Lense–Thirring-preesjon.

For en stjerne i bane kan dette gradvis endre retningen på baneplanet. Effekten blir raskt svakere jo lenger unna det sorte hullet stjernen befinner seg. S301s uvanlig korte perisenteravstand gjør den derfor langt mer følsom for Sgr A*s spinn enn stjerner i videre baner.

Ved å måle stjernens posisjon med svært høy presisjon over tid kan astronomene lete etter de små, akkumulerte endringene som forventes rundt et roterende sort hull. Deretter kan de sammenligne dem med hvordan banen skulle utviklet seg dersom Sgr A* ikke roterte.

Dette er imidlertid en mulig fremtidig måling, ikke et resultat som allerede er oppnådd. Fortsatt astrometrisk overvåking frem mot S301s ventede nære passering mot slutten av 2031 – og i omtrent et tiår etterpå – kan vise om bevegelsen stemmer best med et raskt roterende eller et stasjonært Sgr A*.

Kan også teste «no-hair»-teoremet

På lengre sikt kan S301 gi grunnlag for en enda mer krevende test: å måle det sorte hullets kvadrupolmoment. Dette beskriver hvordan rotasjonen påvirker formen på hullets gravitasjonsfelt utover de enklere effektene fra masse og spinn.

I Kerr-løsningen, som beskriver et roterende sort hull i generell relativitetsteori, bestemmes de målbare egenskapene til et isolert sort hull av massen og spinnet. Elektrisk ladning ventes å være ubetydelig for et astrofysisk sort hull. En test av det forventede forholdet mellom spinn og kvadrupolmoment kan derfor undersøke det såkalte «no-hair»-teoremet.

En slik måling er betydelig vanskeligere enn å påvise spinn. Signalet fra kvadrupolmomentet er svakere og kan forveksles med gravitasjonspåvirkning fra andre stjerner eller usette kompakte objekter nær galaksesenteret. Forskerne beskriver derfor dette som et mulig langsiktig mål, ikke som et garantert resultat.

Hva skjer videre?

Den umiddelbare oppgaven er å følge S301 videre og forbedre baneberegningen. Flere observasjoner kan gi informasjon om stjernens bevegelse langs siktelinjen, gjøre tidspunktet og avstanden ved perisenteret sikrere og hjelpe forskerne med å skille relativistiske effekter fra usikkerhet i miljøet rundt galaksesenteret.

Hvis den beregnede banen holder, vil S301 bli en uvanlig følsom test av hvordan et supermassivt sort hull roterer – og hvordan rotasjonen påvirker romtiden rundt det. Rekordfarten er det mest slående ved oppdagelsen, men den virkelige vitenskapelige verdien ligger i at en svak, rask stjerne kan fungere som en presis målesonde for Sagittarius A*.