S301: Vintergatans snabbaste stjärna kan avslöja Sagittarius A*:s rotation

S301 är en svag stjärna på den tätaste och snabbaste kända stjärnbanan runt Sagittarius A* (Sgr A*), det supermassiva svarta hålet i Vintergatans centrum. När stjärnan passerar som närmast väntas den nå ungefär 25 000 kilometer per sekund – cirka 8 procent av ljusets hastighet – samtidigt som den befinner sig på ett avstånd motsvarande ungefär tolv avstånd mellan jorden och solen.

Det mest intressanta är alltså inte bara farten. Det är att S301 kommer ovanligt nära det svarta hålet. Stjärnans rörelse kan ge astronomer ett sätt att mäta Sagittarius A*:s rotation och undersöka Einsteins allmänna relativitetsteori i en av de starkaste gravitationsmiljöer som går att observera.

En extrem bana på 8,7 år

S301 följer en mycket utdragen, nästan nålformad ellips med en omloppstid på omkring 8,7 år. Sagittarius A* ligger nära ena änden av ellipsen, där stjärnan gör sin närmaste passage – banans pericentrum. Det beräknade avståndet är cirka 12 astronomiska enheter, ungefär avståndet mellan solen och Saturnus. I de rapporterade mätningarna motsvarar det omkring 280 gravitationsradier.

När S301 faller in mot det svarta hålet accelereras den kraftigt av gravitationen. Den beräknade toppfarten på ungefär 25 000 km/s gör den till den snabbaste kända stjärnan som observererats i Vintergatan och till den närmaste kända stjärnproben av Sagittarius A*.

S301 är samtidigt extremt ljussvag, med en rapporterad K-bandsmagnitud på omkring 19,3. Forskarna bedömer att den sannolikt är en huvudseriestjärna, men ljussvagheten gör det svårt att bestämma dess egenskaper med hög precision.

Så upptäcktes S301

GRAVITY-teamet upptäckte S301 våren 2023 med instrumentet GRAVITY på Europeiska sydobservatoriets Very Large Telescope Interferometer, VLTI. Stjärnan syntes omkring 15 millibågsekunder nordväst om Sagittarius A* och rörde sig sedan utåt. Observationerna under 2023 visade en snabb och svagt krökt rörelse.

När forskarna hade uppskattat S301:s bana letade de i äldre GRAVITY-observationer efter de positioner där stjärnan borde ha funnits. De återfann den först i arkivdata från 2021 och därefter i material från 2017. Det längre observationsunderlaget stärker tolkningen att det verkligen rör sig om en stjärna i den beräknade banan.

Banan är fortfarande preliminär. Forskarna saknar ännu en mätning av S301:s radiella hastighet, alltså hur snabbt stjärnan rör sig mot eller från oss. Framtida observationer blir därför viktiga för att bestämma dess tredimensionella rörelse och banparametrar mer exakt.

Därför kan stjärnan mäta det svarta hålets rotation

Ett roterande svart hål gör mer än att bara dra till sig materia. Enligt den allmänna relativitetsteorin kan dess rörelsemängdsmoment dra med sig den närliggande rumtiden – ett fenomen som kallas frame-dragging, eller Lense–Thirring-meddragning. För en stjärna i omlopp kan effekten gradvis ändra riktningen på banplanet.

Effekten avtar snabbt med avståndet. S301:s ovanligt nära pericentrum gör därför stjärnan betydligt känsligare för Sagittarius A*:s rotation än stjärnor som kretsar längre bort. Genom att mäta stjärnans position med mycket hög precision, om och om igen, kan astronomer leta efter de små samlade förändringar som förväntas från ett roterande svart hål. Resultaten kan sedan jämföras med den bana som väntas om hålet inte roterar.

Det här är dock en framtida möjlighet – inte en redan genomförd mätning av rotationen. Fortsatt astrometrisk övervakning före den väntade nära passagen i slutet av 2031 och under ungefär det följande decenniet kan visa om S301:s förändrade bana stämmer bättre med ett snabbt roterande eller ett icke-roterande Sagittarius A*.

Ett möjligt test av no-hair-teoremet

På längre sikt kan S301 också bidra till ett ännu mer krävande test: att mäta det svarta hålets kvadrupolmoment. Det beskriver hur rotationen påverkar formen på hålets gravitationsfält, utöver de enklare effekterna av massa och rotation.

I Kerr-lösningen inom den allmänna relativitetsteorin bestäms ett isolerat svart håls egenskaper som kan mätas utifrån av dess massa och rotation. För ett astrofysiskt svart hål förväntas den elektriska laddningen vara försumbar. Om forskarna kan testa det förutsagda sambandet mellan rotation och kvadrupolmoment skulle det ge en prövning av det så kallade no-hair-teoremet.

En sådan mätning är betydligt svårare än att upptäcka rotationen. Signalen från kvadrupolmomentet är mindre och kan blandas ihop med gravitationsstörningar från andra stjärnor eller osedda kompakta objekt nära Vintergatans centrum. Därför beskriver forskarna detta som ett möjligt långsiktigt mål, inte som ett garanterat resultat.

Vad händer nu?

Det närmaste målet är att fortsätta följa S301 och förbättra anpassningen av dess bana. Fler mätningar kan fastställa stjärnans radiella rörelse, ge bättre besked om tidpunkten och avståndet vid pericentrum samt hjälpa forskarna att skilja relativistiska effekter från osäkerheter i den omgivande stjärnmiljön.

Om den beräknade banan håller kommer S301 att erbjuda ett ovanligt känsligt test av hur ett supermassivt svart hål roterar och hur rotationen påverkar den närliggande rumtiden. Rekordfarten är den spektakulära rubriken – men stjärnans verkliga vetenskapliga värde ligger i att den kan fungera som en precisionssond av Sagittarius A*.