S301 pędzi wokół czarnej dziury. Może pomóc zmierzyć jej spin

S301 to bardzo słaba gwiazda poruszająca się po najciaśniejszej i najszybszej ze znanych orbit wokół Sagittarius A* (Sgr A*) — supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. W najbliższym punkcie swojej trajektorii ma osiągać około 25 000 km/s, czyli mniej więcej 8 proc. prędkości światła. Wtedy znajdzie się w odległości około 12 razy większej niż dystans między Ziemią a Słońcem.

Najważniejsze nie jest jednak samo rekordowe tempo. To wyjątkowo mała odległość od czarnej dziury sprawia, że S301 może stać się precyzyjną sondą jej otoczenia. Śledzenie ruchu gwiazdy może pomóc astronomom zmierzyć obrót Sgr A* i sprawdzić przewidywania ogólnej teorii względności w jednym z najsilniejszych pól grawitacyjnych dostępnych obserwacjom.

Ekstremalna orbita trwająca 8,7 roku

S301 porusza się po mocno wydłużonej, niemal „igłowej” elipsie. Pełne okrążenie Sagittarius A* zajmuje jej około 8,7 roku. Czarna dziura znajduje się w pobliżu jednego z końców tej elipsy — właśnie tam gwiazda przelatuje najbliżej, w punkcie nazywanym perycentrum.

Przewidywana odległość S301 od Sgr A* w perycentrum wynosi około 12 jednostek astronomicznych, czyli mniej więcej tyle, ile średnia odległość Słońca od Saturna. W opisie orbity odpowiada to około 280 promieniom grawitacyjnym.

Gdy gwiazda opada w stronę czarnej dziury, grawitacja gwałtownie ją rozpędza. Przewidywana maksymalna prędkość około 25 000 km/s czyni S301 najszybszą znaną gwiazdą obserwowaną w Drodze Mlecznej, a zarazem najbliższą znaną gwiazdową sondą Sagittarius A*.

S301 jest przy tym wyjątkowo słaba — jej jasność w paśmie K wynosi około 19,3 magnitudo. Naukowcy uznają ją prawdopodobnie za gwiazdę ciągu głównego, ale tak słaby obiekt trudno dokładnie scharakteryzować.

Jak ją odkryto?

Zespół GRAVITY wykrył S301 wiosną 2023 roku dzięki instrumentowi GRAVITY zainstalowanemu na interferometrze Very Large Telescope Interferometer Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO). Gwiazda znajdowała się około 15 milisekund łuku na północny zachód od Sgr A*, a w kolejnych miesiącach oddalała się od czarnej dziury. Jej ruch był szybki i nieznacznie zakrzywiony, co pozwoliło wyznaczyć wstępny kształt orbity.

Następnie badacze wykorzystali przewidywania dotyczące orbity, by sprawdzić, gdzie S301 powinna znajdować się wcześniej. Odnaleźli ją w archiwalnych danych GRAVITY z 2021 roku, a później także z 2017 roku. Wydłużenie okresu obserwacji wzmocniło interpretację, że mamy do czynienia z gwiazdą poruszającą się po tak ekstremalnej orbicie.

Orbita wciąż pozostaje jednak wstępna. Astronomowie nie dysponują jeszcze pomiarem prędkości radialnej S301, czyli jej ruchu wzdłuż linii widzenia. Przyszłe obserwacje będą więc potrzebne, by dokładniej wyznaczyć trójwymiarowy ruch gwiazdy oraz parametry jej orbity.

Dlaczego S301 może pomóc zmierzyć spin czarnej dziury?

Wirująca czarna dziura nie tylko przyciąga znajdujące się w pobliżu obiekty. Zgodnie z ogólną teorią względności jej moment pędu „wlecze” lokalną czasoprzestrzeń. Zjawisko to nazywa się wleczeniem układów inercjalnych, efektem Lensego–Thirringa albo po prostu wleczeniem czasoprzestrzeni. W przypadku orbitującej gwiazdy może ono stopniowo zmieniać orientację całej płaszczyzny orbity.

Siła tego efektu szybko maleje wraz z odległością. Dlatego małe perycentrum S301 czyni ją znacznie czulszym narzędziem do badania obrotu Sgr A* niż gwiazdy poruszające się po szerszych orbitach. Wielokrotne, bardzo dokładne pomiary położenia mogą ujawnić drobne, narastające zmiany przewidywane dla wirującej czarnej dziury. Wyniki można następnie porównać z tym, czego należałoby oczekiwać, gdyby Sgr A* nie obracała się.

To na razie perspektywa badawcza, a nie dokonany pomiar spinu. Dalsze obserwacje astrometryczne przed przewidywanym bliskim przejściem S301 pod koniec 2031 roku oraz przez około dziesięć kolejnych lat mogą pozwolić rozstrzygnąć, czy skumulowane zmiany ruchu pasują do szybko obracającej się, czy do nierotującej Sgr A*.

W dalszej perspektywie: test twierdzenia o „braku włosów”

S301 może w przyszłości umożliwić jeszcze trudniejszy pomiar — wyznaczenie momentu kwadrupolowego czarnej dziury. Parametr ten opisuje kształt jej pola grawitacyjnego w sposób wykraczający poza prostszy opis oparty na masie i spinie.

W rozwiązaniu Kerra, wynikającym z ogólnej teorii względności, zewnętrzne właściwości izolowanej czarnej dziury powinny być określone przez jej masę i obrót. Ładunek elektryczny w przypadku astrofizycznej czarnej dziury powinien być pomijalny. Sprawdzenie przewidywanej zależności między spinem a momentem kwadrupolowym byłoby więc testem tak zwanego twierdzenia o braku włosów.

Taki pomiar jest znacznie trudniejszy niż wykrycie samego spinu. Sygnał kwadrupolowy jest słabszy i może zostać pomylony z zaburzeniami grawitacyjnymi wywoływanymi przez inne gwiazdy lub niewidoczne zwarte obiekty w centrum Galaktyki. Naukowcy traktują go dlatego jako możliwy cel długoterminowy, a nie gwarantowany rezultat.

Co wydarzy się dalej?

Najbliższym zadaniem jest dalsze śledzenie S301 i poprawianie modelu jej orbity. Kolejne pomiary mogą ujawnić prędkość radialną gwiazdy, dokładniej określić moment i odległość perycentrum oraz pomóc oddzielić efekty relatywistyczne od niepewności wynikających z obecności innych obiektów w otoczeniu centrum Galaktyki.

Jeśli przewidywania się potwierdzą, S301 stanie się wyjątkowo czułym testem tego, jak supermasywna czarna dziura wiruje i jak jej obrót wpływa na pobliską czasoprzestrzeń. Rekordowa prędkość przyciąga uwagę, ale prawdziwa wartość tej słabej gwiazdy polega na czymś innym: może zamienić się w precyzyjne narzędzie do badania Sagittarius A*.