S301 suser rundt Sagittarius A* i rekordfart

Astronomer har identifisert S301, en svært svak hovedseriestjerne som går i bane rundt Sagittarius A* – det supermassive sorte hullet i sentrum av Melkeveien. Banen er den nærmeste og raskeste som er kjent rundt dette sorte hullet: Ved nærmeste punkt når S301 rundt 25 000 kilometer i sekundet, eller mer enn 8 prosent av lyshastigheten.

En rekordlangstrakt bane

S301 bruker bare 8,7 år på én runde rundt Sagittarius A*. Til sammenligning har den tidligere rekordholderen, S2, en omløpstid på rundt 12 år. S301s bane har en eksentrisitet på omtrent 0,982–0,983, noe som gjør den nesten «nålespiss» i formen: Stjernen tilbringer mesteparten av tiden langt fra det sorte hullet, før den farer gjennom det sterkeste gravitasjonsfeltet ved perisentret.

Ved nærpassasjen kommer S301 ned til omtrent 280 gravitasjonsradier fra Sagittarius A*, eller litt over 12 astronomiske enheter. En astronomisk enhet er den gjennomsnittlige avstanden mellom Jorden og Solen. Avstanden til S301 er dermed omtrent sammenlignbar med avstanden mellom Solen og Saturn – og rundt ti ganger mindre enn den nærmeste avstanden S2 har til det sorte hullet.

Den ekstreme banen gjør S301 spesielt interessant. Relativistiske effekter blir sterkest akkurat når stjernen passerer nærmest Sagittarius A*, og da beveger den seg med rundt 25 000 kilometer i sekundet. Det gjør S301 til den raskeste kjente stjernen i Melkeveien.

Slik ble den funnet

S301 er svært svak, med en K-bånd-magnitud på omtrent 19,3, og befinner seg i et tett og lyssterkt område rundt galaksens sentrum. Forskerne klarte likevel å oppdage den med GRAVITY, et nærinfrarødt interferometer ved ESOs Very Large Telescope Interferometer i Chile.

Stjernen ble først fulgt i GRAVITY-observasjoner fra 2023 til 2025. Forskerne brukte disse målingene til å lage en foreløpig banemodell. Deretter beregnet de hvor S301 burde ha befunnet seg i eldre observasjoner – og fant den igjen i arkivdata fra både 2021 og 2017. At modellen kunne forutsi stjernens tidligere posisjon, ga en viktig bekreftelse på at den svake lyskilden faktisk følger den foreslåtte banen.

Den fullstendige tredimensjonale banen er foreløpig ikke kjent med samme presisjon. Spektroskopiske målinger har ennå ikke gitt en direkte radialhastighet for S301, slik at dagens baneberegning hovedsakelig bygger på svært nøyaktige posisjonsmålinger på himmelen. Fremtidige spektroskopiske observasjoner med ekstremt store teleskoper kan forbedre dette bildet.

Kan avsløre spinnet til Sagittarius A*

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori vil et roterende sort hull trekke med seg selve romtiden. Fenomenet kalles Lense–Thirring-effekten eller rammedragning. Den kan få baneplanet og banens knutepunkt til å dreie seg gradvis, en bevegelse som kalles presesjon.

S301 passerer nær nok til Sagittarius A* til at denne spinnavhengige presesjonen kan bli målbar med dagens infrarøde interferometri og fremtidig spektroskopi. Ved å følge hvordan banen endrer seg, kan astronomene i prinsippet anslå både størrelsen og retningen på det sorte hullets spinn.

Det vil gi en ny type test av fysikken i galaksens sentrum. Med S2 har forskere allerede målt den masseavhengige Schwarzschild-presesjonen – en relativistisk dreining av banen som skyldes tyngdefeltet. S301 kan i tillegg gi tilgang til effekter som særpreger et roterende sort hull, slik Kerr-løsningen i generell relativitet forutsier.

Hva kan skje i 2031?

S301 ventes å nå sin neste nærpassasje rundt 2031. Tette serier med astrometriske målinger – altså målinger av stjernens nøyaktige posisjon – kombinert med spektroskopi vil da kunne gi forskerne det beste grunnlaget hittil for å lete etter små relativistiske endringer i banen. Det kan åpne for en direkte måling av Sagittarius A*s spinn gjennom rammedragning.

Men det betyr ikke nødvendigvis at alle egenskapene til det sorte hullet kan bestemmes med én stjerne. Et vanskeligere mål er det såkalte kvadrupolmomentet, som beskriver en høyere ordens egenskap ved gravitasjonsfeltets form. For S301 er det spinnavhengige kvadrupolsignalet beregnet til bare rundt 4 prosent av Lense–Thirring-effekten og regnes som neglisjerbart for denne banen.

Derfor er det foreløpig ikke grunnlag for å si at S301s nærpassasje i 2031 alene vil kunne teste no-hair-teoremet. Teoremet sier, kort fortalt, at et astrofysisk sort hull i generell relativitet i praksis bestemmes av massen og spinnet – og at kvadrupolmomentet må ha en bestemt verdi som følger av disse størrelsene.

En slik test vil trolig kreve stjerner som kommer enda nærmere, flere egnede stjernebaner eller en annen observasjonsmetode. S301 kan likevel bli et viktig første steg: Den gir astronomene en sjelden «sonde» som passerer gjennom et område der romtidens vridning rundt et roterende sort hull kan bli synlig.