S301: найшвидша й найближча відома зірка біля Sagittarius A* може розкрити обертання чорної діри

У центрі Чумацького Шляху, приблизно за 26 000 світлових років від Землі, розташована надмасивна чорна діра Sagittarius A* — об’єкт масою близько 4,3 мільйона Сонць. Тепер астрономи знайшли зірку, яка підходить до неї ближче й рухається швидше за будь-яку іншу відому зорю в нашій Галактиці.

Йдеться про тьмяну зірку S301. Вона не падає в чорну діру, а рухається навколо неї по надзвичайно витягнутій, майже «голчастій» еліптичній орбіті. Це робить S301 перспективним природним зондом для вивчення викривленого простору-часу.

Рекордна швидкість і майже голчаста орбіта

S301 — слабка зоря головної послідовності з зоряною величиною в K-діапазоні близько 19,3. Її орбіта має ексцентриситет приблизно 0,982–0,983, а повний оберт навколо Sagittarius A* триває лише 8,7 року.

У найближчій до чорної діри точці — перицентрі — S301 опиняється приблизно за 280 гравітаційних радіусів від Sagittarius A*, або трохи далі ніж за 12 астрономічних одиниць. Астрономічна одиниця — це середня відстань між Землею та Сонцем, тож масштаб можна уявити як відстань, подібну до дистанції від Сонця до Сатурна.

Це приблизно вдесятеро ближче, ніж до чорної діри підходить відома зірка S2. Саме тому S301 стала новою рекордсменкою серед зірок, що обертаються навколо Sagittarius A*.

Під час перицентру S301 розганяється приблизно до 25 000 км/с — це понад 8% швидкості світла. Більшу частину свого орбітального шляху вона проводить значно далі від чорної діри, але на короткий час блискавично пролітає через область, де гравітаційні та релятивістські ефекти найсильніші.

Як її виявили та підтвердили орбіту

S301 надзвичайно важко побачити: зірка дуже тьмяна, а центр Галактики заповнений яскравими зорями та іншими джерелами випромінювання. Дослідники виявили її за допомогою інфрачервоного інтерферометра GRAVITY, встановленого на інтерферометрі Дуже Великого телескопа Європейської південної обсерваторії в Чилі.

Спочатку команда відстежувала положення S301 на небі за даними GRAVITY у 2023–2025 роках і побудувала попередню модель її орбіти. Потім астрономи використали цю модель, щоб передбачити, де зірка мала перебувати раніше. Слабке джерело вдалося знайти в архівних спостереженнях 2021 та 2017 років — успішне «прокручування» орбіти назад стало важливим підтвердженням запропонованої траєкторії.

Поки що спектроскопія не дала прямого вимірювання радіальної швидкості S301 — тобто швидкості її руху вздовж напрямку до Землі або від неї. Тому нинішнє рішення про орбіту ґрунтується передусім на надточних вимірюваннях положення зірки на небі. Майбутні спостереження за допомогою надвеликих телескопів мають допомогти відновити повну тривимірну картину її руху.

Як орбіта S301 може показати обертання чорної діри

Загальна теорія відносності передбачає, що обертання чорної діри має «закручувати» навколишній простір-час. Це явище називають ефектом Лензе—Тіррінга, або перетягуванням системи відліку. Для зорі на похилій орбіті воно може поступово змінювати орбітальну площину та напрямок її вузла — точки, де орбіта перетинає певну базову площину.

S301 проходить достатньо близько до Sagittarius A*, щоб таке прецесійне зміщення потенційно можна було виявити за допомогою сучасної інфрачервоної інтерферометрії та майбутньої спектроскопії. Якщо ефект вдасться виміряти, науковці зможуть оцінити не лише величину, а й напрямок обертання чорної діри.

Це був би новий рівень перевірки теорії Ейнштейна. Спостереження орбіти S2 уже дали змогу виміряти шварцшильдівську прецесію — зміщення орбіти, зумовлене головним чином масою чорної діри. S301 натомість може дати доступ до ефектів, характерних для обертової чорної діри, яку в теорії відносності описує геометрія Керра.

Що можуть показати спостереження у 2031 році

Наступне близьке проходження S301 очікується приблизно у 2031 році. Щільний графік астрометричних і спектроскопічних спостережень до, під час і після перицентру дасть найкращу можливість зафіксувати невеликі релятивістські зміни її орбіти. Це може привести до прямого вимірювання spin Sagittarius A* через прецесію Лензе—Тіррінга.

Однак виміряти квадрупольний момент чорної діри буде значно складніше. Він описує наступну після маси та обертання характеристику гравітаційного поля, пов’язану з його відхиленням від ідеально сферичної симетрії. Для S301 відповідний spin-квадрупольний сигнал оцінюють лише приблизно у 4% від ефекту Лензе—Тіррінга, тому для цієї орбіти його вважають практично незначущим.

Це важливе застереження: немає достатніх підстав стверджувати, що саме проходження S301 у 2031 році здатне самостійно перевірити теорему про відсутність волосся. Вона передбачає, що чорна діра в межах загальної теорії відносності повністю визначається масою та обертанням, а її квадрупольний момент має фіксоване значення, пов’язане з цими двома параметрами.

Для незалежного вимірювання такого слабкого сигналу, ймовірно, знадобляться ще ближчі зорі, кілька придатних орбіт або інший метод спостережень. Отже, S301 може стати надзвичайно цінним інструментом для вимірювання обертання Sagittarius A* і перевірки релятивістської фізики, але повна перевірка «безволосості» чорної діри потребуватиме значно ширшого набору даних.