S301: самая быстрая звезда Млечного Пути приблизилась к разгадке вращения чёрной дыры

Астрономы обнаружили тусклую звезду S301, которая обращается вокруг сверхмассивной чёрной дыры Стрелец A* ближе и быстрее любой другой известной звезды в центре Млечного Пути. В момент максимального сближения она разгоняется примерно до 25 000 км/с — это более 8% скорости света.

Её орбита особенно ценна для науки: звезда ненадолго пролетает через область сильнейшего гравитационного поля, где эффекты общей теории относительности должны проявляться заметнее всего. Следующий перицентр — ближайшая к чёрной дыре точка орбиты — ожидается примерно в 2031 году.

Рекордная орбита S301

S301 — очень тусклая звезда главной последовательности с блеском около 19,3 звёздной величины в K-диапазоне. Она движется по «игольчатой» эллиптической орбите: её эксцентриситет составляет примерно 0,982–0,983, а полный оборот вокруг Стрельца A* занимает 8,7 года.

Большую часть времени звезда находится далеко от чёрной дыры, но вблизи перицентра стремительно пересекает область сильной гравитации. Именно в этот короткий период её движение особенно чувствительно к релятивистским эффектам.

В ближайшей точке S301 проходит примерно в 280 гравитационных радиусах от Стрельца A* — чуть более чем в 12 астрономических единицах. Это сопоставимо с расстоянием от Солнца до Сатурна. Для сравнения: звезда S2, которая долгое время была главным инструментом для изучения центра Галактики, подходит к чёрной дыре примерно в десять раз дальше.

На максимальной скорости S301 достигает около 25 000 км/с, поэтому сейчас это самая быстрая из известных звёзд Млечного Пути.

Как её обнаружили и подтвердили орбиту

S301 удалось заметить благодаря интерферометру ближнего инфракрасного диапазона GRAVITY, установленному на Очень большом телескопном интерферометре Европейской южной обсерватории в Чили. Наблюдения были особенно сложными: звезда очень тусклая, а область вокруг центра Галактики заполнена яркими объектами и плотным звёздным фоном.

Исследователи проследили положение S301 на небе по данным GRAVITY за 2023–2025 годы и построили предварительную орбитальную модель. Затем они использовали её, чтобы предсказать, где звезда должна была находиться раньше. S301 удалось обнаружить в архивных наблюдениях 2021 и 2017 годов — успешное предсказание стало важным подтверждением предложенной орбиты.

Пока спектроскопия не дала прямого измерения лучевой скорости S301. Поэтому нынешнее решение в основном опирается на высокоточные измерения её положения на небе. Будущие наблюдения на чрезвычайно больших телескопах должны помочь уточнить полноценную трёхмерную орбиту звезды.

Как S301 может показать вращение чёрной дыры

Согласно общей теории относительности, вращающаяся чёрная дыра не просто искривляет пространство-время, но и немного «закручивает» его вокруг себя. Это явление называют увлечением инерциальных систем, или эффектом Лензе—Тирринга.

Для близкой звезды такой эффект должен постепенно менять ориентацию орбиты: в частности, смещаться будет её орбитальная плоскость и линия узлов. Поскольку S301 подходит к Стрельцу A* значительно ближе, чем S2, вызванная вращением прецессия может оказаться измеримой с помощью современной инфракрасной интерферометрии и будущей спектроскопии. Это позволит оценить не только величину, но и направление вращения чёрной дыры.

Такой результат стал бы новым этапом проверки общей теории относительности в центре Галактики. Наблюдения S2 уже позволили измерить вызванную массой чёрной дыры шварцшильдовскую прецессию — поворот орбиты в плоскости движения. S301 может впервые дать доступ к эффектам, связанным именно с вращением чёрной дыры и метрикой Керра — теоретическим описанием вращающейся чёрной дыры в общей теории относительности.

Что покажут наблюдения в 2031 году

Плотный цикл астрометрических и спектроскопических наблюдений во время ожидаемого сближения S301 с чёрной дырой должен предоставить наиболее точные данные о релятивистских изменениях её движения. В идеальном случае по прецессии Лензе—Тирринга удастся напрямую определить спин Стрельца A*.

Однако измерение квадрупольного момента чёрной дыры — то есть следующей, более тонкой характеристики распределения её гравитационного поля — будет гораздо сложнее. Для S301 соответствующий сигнал, связанный со спином и квадруполем, оценивается примерно в 4% от эффекта Лензе—Тирринга и считается пренебрежимо малым для этой орбиты.

Поэтому пока нет достаточных оснований утверждать, что одно сближение S301 в 2031 году позволит проверить теорему об отсутствии волос. В астрофизике эта теорема означает, что чёрная дыра в рамках общей теории относительности полностью описывается массой и вращением, а её квадрупольный момент имеет строго определённое значение.

Для самостоятельного измерения столь слабого квадрупольного вклада, вероятно, потребуются ещё более близкие звёзды, несколько подходящих орбит или другой независимый метод наблюдений. S301 всё же может стать первым убедительным «зондом» для измерения вращения сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики.