Найшвидша зоря біля Стрільця A* може показати, як обертається чорна діра

S301 — тьмяна зоря на найтіснішій і найшвидшій із відомих зоряних орбіт навколо Стрільця A* (Sgr A*), надмасивної чорної діри в центрі Чумацького Шляху. У найближчій до чорної діри точці вона, за прогнозами, розганятиметься приблизно до 25 000 км/с — близько 8% швидкості світла — і проходитиме на відстані приблизно у 12 разів більшій за відстань між Землею та Сонцем.

Важливість відкриття полягає не лише в рекордній швидкості S301. Її орбіта проходить незвично близько до чорної діри, а отже рух зорі може дати астрономам спосіб виміряти обертання Стрільця A* і перевірити передбачення загальної теорії відносності в одному з найсильніших гравітаційних середовищ, доступних для спостережень.

Екстремальна орбіта тривалістю 8,7 року

S301 рухається сильно витягнутою, майже «голчастою» еліптичною орбітою з періодом близько 8,7 року. Стрілець A* розташований поблизу одного з її кінців — саме там зоря проходить найближчу до чорної діри точку, яку називають перицентром.

Розрахункова відстань у перицентрі становить приблизно 12 астрономічних одиниць — це орієнтовно відстань від Сонця до Сатурна — або близько 280 гравітаційних радіусів у параметрах опублікованої орбіти.

Падаючи до чорної діри, S301 під дією гравітації різко прискорюється. Її прогнозована максимальна швидкість — близько 25 000 км/с, що робить її найшвидшою відомою зорею, яку спостерігали в Чумацькому Шляху, а також найближчим відомим зоряним «зондом» Стрільця A*.

Водночас S301 надзвичайно тьмяна: її видима зоряна величина в K-діапазоні становить приблизно 19,3. Дослідники вважають, що це, ймовірно, зоря головної послідовності, однак слабке світіння ускладнює її точну характеристику.

Як її знайшли

Команда GRAVITY виявила S301 навесні 2023 року за допомогою інструмента GRAVITY, встановленого на інтерферометрі Very Large Telescope Європейської південної обсерваторії. Спочатку зоря з’явилася приблизно за 15 міліарксекунд на північний захід від Стрільця A*, а протягом наступних місяців почала віддалятися. Спостереження 2023 року показали швидкий і трохи викривлений рух зорі.

Оцінивши орбіту S301 за цими вимірюваннями, науковці визначили, де вона мала перебувати раніше, і перевірили архівні дані GRAVITY. Зорю вдалося знайти в спостереженнях 2021 року, а потім — і 2017-го. Це збільшило часовий проміжок спостережень та посилило аргументи на користь запропонованої орбіти.

Однак орбіта поки що залишається попередньою. Зокрема, дослідники ще не мають вимірювання променевої швидкості S301 — тобто руху зорі вздовж напрямку від нас або до нас. Майбутні спостереження мають допомогти точніше визначити її тривимірний рух і параметри орбіти.

Чому S301 може допомогти виміряти обертання чорної діри

Чорна діра не просто притягує навколишні об’єкти. Згідно із загальною теорією відносності, її кутовий момент може «затягувати» простір-час навколо себе. Цей ефект називають захопленням системи відліку, або ефектом Лензе—Тіррінга. Для зорі на орбіті він може поступово змінювати орієнтацію орбітальної площини.

Сила такого ефекту швидко зменшується зі збільшенням відстані. Саме тому надзвичайно малий перицентр S301 робить її набагато чутливішою до обертання Стрільця A*, ніж зорі на ширших орбітах. Якщо багаторазово й дуже точно вимірювати положення S301, астрономи зможуть шукати невеликі накопичувальні зміни, передбачені для чорної діри, що обертається, і порівнювати їх із рухом, який очікувався б для нерухомої чорної діри.

Це поки що можливість для майбутніх досліджень, а не вже отриманий результат. Безперервні астрометричні спостереження до очікуваного зближення S301 наприкінці 2031 року та приблизно протягом наступного десятиліття можуть показати, чи відповідає накопичений рух швидкому обертанню Стрільця A*, чи сценарію з невеликою або нульовою швидкістю обертання.

Довгострокова перевірка теореми про «відсутність волосся»

У перспективі S301 може стати інструментом для ще складнішого вимірювання — квадрупольного моменту чорної діри. Він описує те, як обертання впливає на форму її гравітаційного поля, доповнюючи простіші ефекти маси та обертання.

У розв’язку Керра загальної теорії відносності зовнішні властивості ізольованої чорної діри визначаються її масою та обертанням; електричний заряд для астрофізичної чорної діри, як очікується, має бути незначним. Перевірка передбаченого зв’язку між обертанням і квадрупольним моментом дала б змогу дослідити так звану теорему про «відсутність волосся».

Однак таке вимірювання значно складніше за визначення обертання. Сигнал квадрупольного моменту слабший, а його можна сплутати з гравітаційними збуреннями, які створюють інші зорі або невидимі компактні об’єкти поблизу галактичного центру. Тому дослідники розглядають цю перспективу як довгострокову мету, а не гарантований результат.

Що буде далі

Найближче завдання — продовжувати стежити за S301 і вдосконалювати модель її орбіти. Нові вимірювання допоможуть визначити променевий рух зорі, точніше встановити час і відстань до перицентру, а також відокремити релятивістські ефекти від невизначеностей, пов’язаних із зоряним оточенням центру Чумацького Шляху.

Якщо прогнозована орбіта підтвердиться, S301 стане надзвичайно чутливим тестом того, як обертається надмасивна чорна діра і як це обертання впливає на простір-час поблизу. Її рекордна швидкість — найефектніша частина історії, але справжня наукова цінність S301 полягає в іншому: ця тьмяна зоря може перетворитися на точний космічний інструмент для дослідження Стрільця A*.