S301: Kara Deliğin Çevresindeki Rekor Hızlı Yıldız, Sagittarius A*’nın Dönüşünü Ölçebilir

Samanyolu’nun merkezindeki süper kütleli kara delik Sagittarius A*’ın (Sgr A*) çevresinde dönen S301, şimdiye kadar bilinen en yakın ve en hızlı yıldızsal gözlem aracı olarak öne çıkıyor. Sönük yıldız, kara deliğe en yakın noktasında yaklaşık 25.000 kilometre/saniye hıza ulaşacak; bu, ışık hızının yaklaşık yüzde 8’i demek. Aynı geçişte Sgr A*’a Dünya ile Güneş arasındaki mesafenin yaklaşık 12 katı kadar yaklaşması bekleniyor.

S301’in önemi yalnızca rekor hızından kaynaklanmıyor. Onu asıl değerli kılan, yörüngesinin kara deliğe olağanüstü yakın olması. Bu hareket, astronomlara Sagittarius A*’ın dönme hızını ölçme ve genel göreliliğin güçlü kütleçekim alanlarındaki öngörülerini sınama fırsatı verebilir.

8,7 yıllık, aşırı uzun eliptik yörünge

S301, yaklaşık 8,7 yılda tamamladığı, son derece uzamış ve dar bir elips üzerinde hareket ediyor. Sagittarius A*, bu elipsin bir ucuna yakın konumda bulunuyor; yıldız yörüngesinin en yakın noktasından, yani günberi benzeri periastron geçişinden burada geçiyor.

S301’in kara deliğe en fazla yaklaştığı mesafenin yaklaşık 12 astronomik birim olduğu tahmin ediliyor. Bu mesafe kabaca Güneş ile Satürn arasındaki uzaklığa karşılık geliyor. Yörünge ölçümlerinde bu değer yaklaşık 280 kütleçekim yarıçapı olarak ifade ediliyor.

Yıldız kara deliğe doğru düşerken kütleçekim tarafından hızlandırılıyor. Tahmin edilen azami hızı yaklaşık 25.000 km/s olan S301, bu nedenle Samanyolu’nda gözlenen en hızlı yıldız ve Sagittarius A*’ın bilinen en yakın yıldızsal sondası konumunda.

S301 aynı zamanda son derece sönük. K-bandındaki parlaklığı yaklaşık 19,3 kadir olarak ölçülüyor. Araştırmacılar onu muhtemel bir anakol yıldızı olarak sınıflandırıyor; ancak düşük parlaklığı, yıldızın özelliklerinin kesin biçimde belirlenmesini zorlaştırıyor.

S301 nasıl keşfedildi?

GRAVITY ekibi S301’i ilk kez 2023 ilkbaharında, Avrupa Güney Gözlemevi’nin (ESO) Çok Büyük Teleskop Girişimölçeri’ndeki GRAVITY cihazıyla tespit etti. Yıldız, Sagittarius A*’ın yaklaşık 15 milisaniye kuzeybatısında görünüyordu. Ardından gözlemler boyunca dışa doğru ilerledi ve hafifçe kıvrılan, çok hızlı bir hareket sergiledi.

Araştırmacılar 2023’teki konum ölçümlerinden S301’in olası yörüngesini çıkardıktan sonra, yıldızın daha önce nerede görünmüş olması gerektiğini hesapladı. Bu tahmin sayesinde S301’i önce 2021, ardından 2017 tarihli GRAVITY arşiv verilerinde de buldular. Böylece gözlem süresi uzadı ve yörünge yorumunun güvenilirliği arttı.

Bununla birlikte, S301’in yörüngesi henüz kesinleşmiş değil. Özellikle yıldızın radyal hızına, yani görüş doğrultusundaki hareketine ilişkin bir ölçüm henüz bulunmuyor. Gelecekteki gözlemler, S301’in üç boyutlu hareketini ve yörünge parametrelerini daha hassas biçimde belirlemek için kritik olacak.

Yıldız, kara deliğin dönüşünü nasıl gösterebilir?

Dönen bir kara delik yalnızca çevresindeki cisimleri kendine çekmez. Genel göreliliğe göre kara deliğin açısal momentumu, yakınındaki uzay-zamanı da kendi dönüş yönünde sürükler. Lense-Thirring etkisi ya da uzay-zaman sürüklenmesi olarak adlandırılan bu olgu, yörüngedeki bir yıldızın yörünge düzleminin zaman içinde yön değiştirmesine yol açabilir.

Bu etkinin şiddeti uzaklık arttıkça hızla azalır. S301’in periastron mesafesinin küçük olması, onu daha geniş yörüngelerde izlenen yıldızlara kıyasla Sagittarius A*’ın dönüşüne çok daha duyarlı hale getiriyor. Astronomlar yıldızın konumunu yıllar boyunca yüksek hassasiyetle ölçerek, dönen bir kara deliğin oluşturması beklenen küçük ama birikimli yörünge değişimlerini arayabilir.

Bu, şu an elde edilmiş bir dönüş ölçümü değil; geleceğe yönelik bir gözlem olanağı. S301’in 2031’in sonlarında gerçekleşmesi beklenen yakın geçişinden önce ve yaklaşık on yıl sonrasında sürdürülecek astrometrik takip, hızlı dönen bir Sagittarius A* ile dönmeyen bir kara deliğin yaratacağı yörünge kaymalarını birbirinden ayırabilir.

Daha zor hedef: “kılsızlık” teoremi

S301 uzun vadede daha zorlu bir teste de katkı sağlayabilir: kara deliğin dört kutuplu momentinin ölçülmesi. Bu değer, dönüşün kara deliğin kütleçekim alanının şeklini kütle ve dönme etkilerinin ötesinde nasıl değiştirdiğini tanımlar.

Genel göreliliğin Kerr çözümüne göre, yalıtılmış bir kara deliğin dışarıdan ölçülebilen özellikleri kütlesi ve dönüşüyle belirlenir. Astrofiziksel kara deliklerde elektrik yükünün ise ihmal edilebilir olması beklenir. Dönüş ile dört kutuplu moment arasındaki öngörülen ilişkiyi sınamak, “kılsızlık teoremi” olarak bilinen fikrin test edilmesini sağlayabilir.

Ancak bu ölçüm, yalnızca kara deliğin dönüşünü belirlemekten çok daha zor. Dört kutuplu sinyal daha küçük ve Galaktik merkezin yakınındaki diğer yıldızların ya da henüz görülmemiş yoğun cisimlerin oluşturduğu kütleçekimsel etkilerle karışabilir. Bu nedenle araştırmacılar, söz konusu testi kesin bir sonuçtan çok uzun vadeli bir hedef olarak değerlendiriyor.

Şimdi ne olacak?

İlk aşamada astronomların önceliği S301’i izlemeyi sürdürmek ve yörünge modelini iyileştirmek. Yeni ölçümler yıldızın radyal hareketini ortaya çıkarabilir, en yakın geçişin zamanını ve mesafesini daha kesin hale getirebilir. Ayrıca gözlenen relativistik etkilerin, Galaktik merkezdeki diğer yıldızların ve görünmeyen cisimlerin yarattığı belirsizliklerden ayrılmasına yardımcı olabilir.

Tahmin edilen yörünge doğrulanırsa S301, süper kütleli bir kara deliğin dönüşünü ve bu dönüşün yakınındaki uzay-zaman üzerindeki etkisini incelemek için son derece hassas bir araç sunacak. Başlıkları süsleyen şey rekor hızı olsa da S301’in asıl bilimsel değeri, sönük ve hızlı bir yıldızı Sagittarius A* için bir hassasiyet sondasına dönüştürmesinde yatıyor.