S301, Sagittarius A* çevresinde bilinen en yakın ve en hızlı yıldız

S301, K bandında yaklaşık 19,3 kadir parlaklığa sahip son derece sönük bir ana kol yıldızı. Yörüngesinin eksantrikliği yaklaşık 0,982–0,983; başka bir deyişle yıldız, zamanının çoğunu kara delikten uzakta geçiriyor, ancak en yakın noktasında güçlü kütleçekim bölgesinden adeta bir iğne gibi hızla geçiyor. Yörünge süresi 8,7 yıl ile Sagittarius A* çevresinde bilinenler arasında en kısa süre.

S301, yörüngesinin en yakın noktasında Sagittarius A*’ya yaklaşık 280 kütleçekim yarıçapı uzaklığa, yani 12 astronomik birimin biraz üzerine kadar sokuluyor. Bu mesafe, kabaca Güneş ile Satürn arasındaki uzaklığa benziyor. Karşılaştırma için, uzun süredir en yakından geçen yıldız olarak incelenen S2, kara deliğe en yakın konumunda S301’den yaklaşık 10 kat daha uzakta kalıyor.

S301’in yakın geçişteki yaklaşık 25.000 km/s’lik hızı onu Samanyolu’nda bilinen en hızlı yıldız yapıyor. Yörüngenin “iğne gibi dar” yapısı da önemli: Görelilikten kaynaklanan etkiler, yıldızın kara deliğe en çok yaklaştığı kısa zaman aralığında yoğunlaşıyor.

Astronomlar S301’i nasıl buldu ve doğruladı?

Ekip, S301’i ESO’nun Şili’deki Çok Büyük Teleskop İnterferometresi’nde (VLTI) çalışan GRAVITY yakın kızılötesi interferometresiyle tespit etti. Samanyolu’nun parlak ve yıldızlarla dolu merkezi bölgesinde, bu kadar sönük bir kaynağı seçebilmek GRAVITY’nin yüksek hassasiyeti sayesinde mümkün oldu.

Araştırmacılar önce 2023–2025 dönemindeki GRAVITY gözlemlerinde yıldızın gökyüzündeki konumunu izleyerek ön bir yörünge modeli oluşturdu. Daha sonra modelin geçmişteki konumları nerede öngördüğünü kontrol ettiler ve S301’i 2021 ile 2017’ye ait arşiv gözlemlerinde de buldular. Güncel verilerden geriye doğru yapılan bu başarılı tahmin, sönük kaynağın gerçekten önerilen yörüngede hareket ettiğine dair önemli bir doğrulama sağladı.

Bununla birlikte S301 için henüz doğrudan tayfsal radyal hız ölçümü elde edilmiş değil. Bu nedenle mevcut yörünge çözümü esas olarak yıldızın gökyüzündeki konumunun çok hassas biçimde ölçülmesine dayanıyor. Gelecekte, son derece büyük teleskoplarla yapılacak tayfsal gözlemler yıldızın üç boyutlu hareketini daha iyi ortaya koyabilir.

Yıldız, kara deliğin dönüşünü nasıl gösterebilir?

Einstein’ın genel görelilik kuramına göre dönen bir kara delik, çevresindeki uzay-zamanı da birlikte sürükler. Lense–Thirring çerçeve sürüklenmesi olarak adlandırılan bu etki, kara deliğin açısal momentumundan kaynaklanır. Eğik bir yörüngedeki yıldızın yörünge düzlemi ve düğüm noktası zamanla çok küçük miktarlarda ilerler.

S301, Sagittarius A*’ya diğer bilinen yıldızlardan daha fazla yaklaştığı için bu dönüş kaynaklı yörünge değişiminin ölçülebilir olması bekleniyor. Mevcut hassas kızılötesi interferometriye, gelecekteki tayfsal gözlemler eklendiğinde astronomlar kara deliğin dönüşünün hem büyüklüğünü hem de yönünü kısıtlayabilir.

Bu ölçüm, S2 yıldızının yörüngesinde kütleden kaynaklanan Schwarzschild deviniminin gözlemlenmesinin ötesine geçecek. Böylece Sagittarius A*’nın dönen kara delikleri tanımlayan Kerr geometrisine uyup uymadığı, yani genel göreliliğin daha güçlü bir rejimde nasıl işlediği test edilebilecek.

2031’de ne öğrenilebilir?

S301’in 2031 civarındaki bir sonraki günberi geçişi sırasında yoğun astrometrik ve tayfsal takip yapılması, görelilik kaynaklı yörünge değişimlerini yakalamak için en iyi fırsatı sunabilir. Bu gözlemler, Lense–Thirring çerçeve sürüklenmesinden yararlanarak Sagittarius A*’nın dönüşünün doğrudan ölçülmesini mümkün kılabilir.

Ancak kara deliğin dört kutuplu momentini ölçmek çok daha zor. Dönüşten kaynaklanan bu ek sinyalin, S301 için Lense–Thirring etkisinin yalnızca yaklaşık yüzde 4’ü düzeyinde olduğu ve bu yörüngede ihmal edilebilir kaldığı tahmin ediliyor.

Bu ayrım, “tüysüzlük teoremi” açısından kritik. Teorem, genel görelilikte bir kara deliğin kütlesi ve dönüşüyle tanımlanabileceğini; dört kutuplu moment gibi daha yüksek çok kutuplu özelliklerin de bu iki büyüklük tarafından belirlenmesi gerektiğini öne sürer. S301’in dönüşü ölçülebilse bile, dört kutuplu katkının bağımsız ve yeterli hassasiyetle ölçülememesi, 2031 geçişinin tek başına bu teoremi kesin biçimde sınayamayacağı anlamına geliyor.

Bu nedenle daha yakın yıldızların, birden fazla uygun yörüngenin veya farklı bir gözlemsel yöntemin devreye girmesi gerekebilir. S301’in asıl kısa vadeli vaadi ise daha somut: Samanyolu’nun merkezindeki kara deliğin dönüşünü, şimdiye kadarki yıldız yörüngesi testlerinden çok daha doğrudan incelemek.