Звезда S301 может раскрыть вращение Sagittarius A*

Звезда S301 — тусклый объект на самой тесной и быстрой из известных орбит вокруг Sagittarius A* (Sgr A*), сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути. В ближайшей к ней точке орбиты S301, по расчётам, разгоняется примерно до 25 000 км/с — это около 8% скорости света. При этом звезда проходит на расстоянии порядка 12 расстояний от Земли до Солнца.

Главная ценность открытия не только в рекордной скорости. S301 подходит к чёрной дыре ближе, чем любая другая известная звезда, и поэтому может превратиться в своеобразный космический датчик. По едва заметным изменениям её движения астрономы надеются измерить вращение Sgr A* и проверить предсказания общей теории относительности в экстремальном гравитационном поле.

Орбита длиной 8,7 года

S301 движется по сильно вытянутой, почти «игольчатой» эллиптической орбите. Полный оборот занимает около 8,7 года, а чёрная дыра находится почти у одного из концов этого вытянутого эллипса. Ближайшая к Sgr A* точка орбиты называется периастром; по расчётам, расстояние до неё составляет около 12 астрономических единиц — примерно как расстояние от Солнца до Сатурна. В используемых для орбиты оценках это около 280 гравитационных радиусов.

При падении к чёрной дыре звезда быстро набирает скорость. Ожидаемый максимум — приблизительно 25 000 км/с, что делает S301 самой быстрой из известных звёзд Млечного Пути и ближайшим известным звёздным зондом Sagittarius A*.

При этом S301 чрезвычайно тусклая: её видимая величина в K-диапазоне оценивается примерно в 19,3. Исследователи считают, что это, вероятно, звезда главной последовательности, однако слабый блеск пока затрудняет её точное изучение.

Как нашли S301

Команда GRAVITY обнаружила S301 весной 2023 года с помощью инструмента GRAVITY, установленного на Интерферометре Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории. Сначала звезда находилась примерно в 15 миллисекундах дуги к северо-западу от Sgr A*, а затем стала удаляться, демонстрируя быстрое и слегка искривлённое движение.

Получив первые измерения и оценив возможную орбиту, астрономы проверили архивные наблюдения: где S301 должна была находиться раньше. Звезду удалось обнаружить в данных GRAVITY за 2021 год, а затем — за 2017-й. Это увеличило временной интервал наблюдений и укрепило интерпретацию объекта как звезды на экстремальной орбите.

Тем не менее опубликованная орбита пока предварительная. У исследователей ещё нет измерения лучевой скорости S301 — то есть движения звезды по направлению к Земле или от неё. Будущие наблюдения помогут точнее определить её трёхмерное движение и параметры орбиты.

Почему орбита может показать вращение чёрной дыры

Вращающаяся чёрная дыра не просто притягивает окружающие тела. Согласно общей теории относительности, её угловой момент «увлекает» ближайшее пространство-время. Этот эффект называют увлечением инерциальных систем, или эффектом Лензе—Тирринга. Для звезды на орбите он может постепенно менять ориентацию орбитальной плоскости.

Сила такого эффекта быстро уменьшается с расстоянием. Поэтому необычно малый периастр S301 делает её гораздо более чувствительной к вращению Sgr A*, чем звёзды на широких орбитах. Если регулярно и с высокой точностью измерять положение S301, астрономы смогут искать небольшие накопленные изменения, ожидаемые для вращающейся чёрной дыры, и сравнивать их с картиной для невращающегося объекта.

Пока это лишь перспективный метод, а не уже полученное измерение вращения. Наблюдения перед ожидаемым сближением в конце 2031 года и примерно в течение следующего десятилетия могут показать, согласуется ли движение S301 с быстро вращающейся или невращающейся Sgr A*.

Возможный тест теоремы об отсутствии «волос»

В дальнейшем S301 может помочь провести ещё более сложную проверку — измерить квадрупольный момент чёрной дыры. Он описывает особенности её гравитационного поля, связанные с вращением, сверх простого влияния массы и углового момента.

В решении Керра, описывающем изолированную вращающуюся чёрную дыру в рамках общей теории относительности, внешние свойства объекта определяются его массой и вращением. Электрический заряд для астрофизической чёрной дыры ожидается пренебрежимо малым. Проверка предсказанной связи между вращением и квадрупольным моментом могла бы стать испытанием так называемой теоремы об отсутствии «волос».

Однако определить квадрупольный момент значительно труднее, чем обнаружить вращение. Сигнал будет слабее, а его можно спутать с гравитационными возмущениями от других звёзд или невидимых компактных объектов в центре Галактики. Поэтому учёные рассматривают такую проверку как долгосрочную возможность, а не гарантированный результат.

Что будет дальше

Ближайшая задача — продолжать наблюдать за S301 и уточнять параметры её орбиты. Новые измерения позволят определить лучевую скорость, точнее рассчитать время и расстояние ближайшего сближения, а также отделить релятивистские эффекты от неопределённостей, связанных с окружением галактического центра.

Если расчёты подтвердятся, S301 станет необычайно чувствительным инструментом для изучения вращения сверхмассивной чёрной дыры и его влияния на пространство-время. Рекордная скорость привлекает внимание, но настоящее научное значение звезды в другом: тусклый объект превращается в точный зонд Sagittarius A* и проверку физики Эйнштейна.