S301: rekordstjärnan som kan avslöja hur Vintergatans svarta hål snurrar

Astronomer har identifierat S301, den närmaste och snabbaste kända stjärnan som kretsar kring Vintergatans centrala supermassiva svarta hål, Sagittarius A* (Sgr A*). När stjärnan är som närmast når den ungefär 25 000 kilometer per sekund – över åtta procent av ljusets hastighet.

Dess nästa nära passage väntas omkring 2031. Då kan astronomerna få en realistisk möjlighet att mäta Sagittarius A*:s rotation, eller spinn. Däremot är det för tidigt att säga att S301 ensam kan avslöja det svarta hålets kvadrupolmoment eller ge ett avgörande test av det så kallade no-hair-teoremet.

En extrem bana runt Vintergatans svarta hål

S301 är mycket ljussvag, med en K-bandsmagnitud på cirka 19,3, och är en huvudseriestjärna. Den rör sig i en bana med en excentricitet på ungefär 0,982–0,983 och behöver bara 8,7 år för att fullborda ett varv.

Banan är så utdragen att den liknar en tunn nål: under större delen av omloppet befinner sig stjärnan långt från Sagittarius A*, men nära pericentret – banans närmaste punkt – rusar den genom ett område där gravitationen är extremt stark. Det är just där relativistiska effekter blir lättast att upptäcka.

Vid den närmaste passagen kommer S301 inom ungefär 280 gravitationsradier från det svarta hålet, eller drygt 12 astronomiska enheter (AU). Det motsvarar ungefär avståndet mellan solen och Saturnus. S301 passerar därmed omkring tio gånger närmare Sagittarius A* än den välstuderade stjärnan S2 gör vid sin närmaste passage.

Med en topphastighet på cirka 25 000 km/s är S301 den snabbaste kända stjärnan i Vintergatan.

Så upptäcktes och bekräftades S301

Stjärnan upptäcktes med GRAVITY, ett instrument för infraröd interferometri vid Europeiska sydobservatoriets Very Large Telescope Interferometer (VLTI) i Chile. Instrumentet måste urskilja en mycket svag ljuspunkt i den täta och ljusstarka miljön kring Vintergatans centrum.

Forskarna följde S301:s position i GRAVITY-observationer från 2023 till 2025 och anpassade en preliminär omloppsbana till mätningarna. Därefter använde de den beräknade banan för att förutsäga var stjärnan borde ha befunnit sig i äldre arkivdata från 2021 och 2017. När S301 återfanns på de förutsagda positionerna stärktes slutsatsen att den svaga ljuspunkten verkligen följer den föreslagna banan.

Någon direkt spektroskopisk mätning av S301:s radiella hastighet har ännu inte lyckats. Den nuvarande banmodellen bygger därför främst på mycket exakta positionsmätningar på himlen. Spektroskopi med framtida extremt stora teleskop kan ge en bättre bild av stjärnans fullständiga tredimensionella rörelse.

Därför kan S301 avslöja det svarta hålets spinn

Enligt Einsteins allmänna relativitetsteori drar ett roterande svart hål med sig den omgivande rumtiden. Fenomenet kallas Lense–Thirring-effekten eller gravitationell ramdragning. För en stjärna i en lutande bana kan effekten långsamt vrida banans plan och dess noder – de punkter där banplanet skär ett referensplan.

Eftersom S301 kommer betydligt närmare Sagittarius A* än tidigare kända stjärnor kan denna mycket lilla förändring i banan bli mätbar med dagens infraröda interferometri och framtida spektroskopi. Om forskarna kan registrera denna nodprecession kan de uppskatta både storleken och riktningen på det svarta hålets spinn.

Det skulle bli ett nytt slags test av gravitationen kring Vintergatans centrum. Med S2 har astronomer redan mätt den massdrivna Schwarzschild-precessionen, där banans orientering förändras på grund av rumtidens krökning kring massan. S301 kan i stället ge en möjlighet att undersöka den roterande Kerr-geometri som följer av allmän relativitet.

Vad kan hända vid närpassagen 2031?

Täta astrometriska och spektroskopiska observationer före, under och efter den väntade pericenterpassagen 2031 bör ge forskarna bäst möjlighet att se relativistiska förändringar i S301:s bana. Det kan räcka för en direkt mätning av Sagittarius A*:s spinn genom Lense–Thirring-precession.

Ett annat mål är det svarta hålets kvadrupolmoment – ett mått på hur gravitationsfältet avviker från den enklaste, sfäriskt symmetriska beskrivningen. Det är dock betydligt svårare att mäta. För S301 beräknas den spinnrelaterade kvadrupolsignalen vara omkring fyra procent av Lense–Thirring-effekten och i praktiken försumbar för den här banan.

Det innebär att S301:s passage 2031 sannolikt inte ensam kan testa no-hair-teoremet. Teoremet säger i korthet att ett astrofysiskt svart hål inom allmän relativitet bestäms av sin massa och sitt spinn; dess kvadrupolmoment ska då ha ett specifikt värde som följer av dessa två egenskaper. För att pröva detta krävs troligen ännu närmare stjärnor, flera lämpliga stjärnbanor eller någon annan typ av observation.

S301 är därför framför allt ett mycket lovande verktyg för att mäta Sagittarius A*:s rotation – och för att testa relativitet i ett område av Vintergatan som tidigare varit svårt att nå observationsmässigt.