S301 pędzi wokół czarnej dziury z prędkością 25 tys. km/s. Astronomowie chcą zmierzyć jej spin

Podczas perycentrum gwiazda znajduje się w odległości nieco ponad 12 jednostek astronomicznych od Sagittarius A*. Jedna jednostka astronomiczna odpowiada średniej odległości Ziemi od Słońca, więc dystans S301 jest porównywalny z odległością Słońca od Saturna. W przeliczeniu na skalę czarnej dziury to około 280 promieni grawitacyjnych — mniej więcej dziesięć razy bliżej niż S2 podczas jej najbliższego przejścia.

Ta geometria sprawia, że orbita S301 przypomina cienką igłę: przez większość czasu gwiazda przebywa daleko od czarnej dziury, lecz na krótko wpada w obszar bardzo silnej grawitacji. Właśnie wtedy efekty przewidywane przez teorię względności stają się najsilniejsze i najłatwiejsze do wychwycenia w precyzyjnych pomiarach.

Jak wykryto S301 i potwierdzono jej orbitę?

Astronomowie dostrzegli S301 dzięki instrumentowi GRAVITY, interferometrowi pracującemu w bliskiej podczerwieni na należącym do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) interferometrze Very Large Telescope Interferometer (VLTI) w Chile. Zadanie było wyjątkowo trudne: gwiazda jest bardzo słaba, a centrum Galaktyki wypełniają jasne źródła światła znajdujące się blisko siebie.

Po pierwszym wykryciu zespół prześledził położenie S301 w danych GRAVITY z lat 2023–2025 i dopasował wstępny model orbity. Następnie na podstawie tego modelu przewidziano, gdzie gwiazda powinna znajdować się wcześniej. S301 udało się odnaleźć w archiwalnych obserwacjach z 2021 i 2017 roku. Zgodność przewidywań z wcześniejszymi pomiarami była ważnym potwierdzeniem, że słaby obiekt rzeczywiście porusza się po zaproponowanej orbicie.

Na tym etapie nie uzyskano jeszcze bezpośredniego pomiaru prędkości radialnej S301 za pomocą spektroskopii. Obecne rozwiązanie orbitalne opiera się więc przede wszystkim na niezwykle dokładnych pomiarach jej położenia na niebie. Przyszłe obserwacje spektroskopowe z użyciem teleskopów nowej generacji powinny pozwolić lepiej odtworzyć pełną, trójwymiarową trajektorię gwiazdy.

Jak S301 może ujawnić spin czarnej dziury?

Zgodnie z ogólną teorią względności wirująca czarna dziura nie tylko zakrzywia czasoprzestrzeń, lecz także ją „wlecze” za sobą. Zjawisko to nosi nazwę wleczenia układu odniesienia lub efektu Lensego–Thirringa. W jego wyniku płaszczyzna orbity pobliskiego, odpowiednio nachylonego obiektu powoli zmienia orientację, a tzw. węzeł orbity ulega precesji.

S301 zbliża się do Sagittarius A* na tyle, że taki spinowy ruch orbitalny może stać się mierzalny. Połączenie obecnej interferometrii w podczerwieni z przyszłymi pomiarami spektroskopowymi może umożliwić wyznaczenie zarówno wartości spinu czarnej dziury, jak i kierunku jej osi obrotu.

Byłby to kolejny etap badań relatywistycznych w centrum Drogi Mlecznej. W przypadku S2 astronomowie wykryli już precesję Schwarzschilda — zmianę orbity wynikającą przede wszystkim z masy czarnej dziury. S301 daje szansę na sprawdzenie dodatkowego efektu związanego z jej obrotem, a więc na bardziej bezpośredni test opisu wirującej czarnej dziury, znanego jako geometria Kerra.

Co może przynieść obserwacja w 2031 roku?

Największe znaczenie będą miały gęste pomiary astrometryczne i spektroskopowe prowadzone w pobliżu przewidywanego perycentrum S301 około 2031 roku. Wtedy zmiany toru gwiazdy wywołane efektami relatywistycznymi powinny być najbardziej widoczne. Dane te mogą pozwolić na bezpośredni pomiar spinu Sagittarius A* poprzez wykrycie precesji Lensego–Thirringa.

Znacznie trudniejsze byłoby wyznaczenie momentu kwadrupolowego czarnej dziury. To parametr opisujący bardziej szczegółową strukturę jej pola grawitacyjnego, związaną z obrotem. W przypadku S301 przewidywany sygnał spinowo-kwadrupolowy ma mieć zaledwie około 4 proc. wielkości efektu Lensego–Thirringa i jest uznawany za pomijalny dla tej orbity.

Dlatego nie ma obecnie wystarczających podstaw, by twierdzić, że samo przejście S301 w 2031 roku rozstrzygnie tzw. twierdzenie o braku włosów. W uproszczeniu mówi ono, że astrofizyczna czarna dziura opisana przez ogólną teorię względności powinna być w pełni określona przez swoją masę i spin, a jej moment kwadrupolowy powinien mieć wartość wynikającą właśnie z tych dwóch parametrów.

Do wiarygodnego sprawdzenia tej relacji potrzebne mogą być znacznie bliższe gwiazdy, obserwacje kilku odpowiednich orbit jednocześnie albo zupełnie inna metoda pomiaru. S301 jest więc przede wszystkim obiecującą sondą spinu Sagittarius A* — i ważnym krokiem w kierunku bardziej wymagających testów teorii Einsteina, a nie gotowym dowodem na poprawność lub obalenie twierdzenia o „braku włosów”.