Зірка S301 летить зі швидкістю 8% від швидкості світла навколо чорної діри в Чумацькому Шляху

Астрономи відкрили найшвидшу відому зірку в Чумацькому Шляху – слабкий об'єкт S301, який обертається навколо надмасивної чорної діри в центрі нашої галактики. Під час свого найближчого проходження повз Стрілець A* зірка досягає приблизно 25 000 кілометрів на секунду, або трохи більше 8% швидкості світла.

Відкриття представлене в журналі "Nature". Вчені вважають, що надзвичайно близька орбіта S301 може вперше дозволити пряме вимірювання обертання Стрільця A* – чорної діри з масою приблизно в 4 млн разів більшою за масу Сонця.

Найтісніша відома орбіта

S301 здійснює повний оберт навколо Стрільця A* за 8,7 року. Це найкоротший відомий орбітальний період зірки навколо центральної чорної діри Чумацького Шляху.

Її орбіта сильно видовжена. У найближчій точці зірка наближається на відстань, що становить приблизно 11,5–12 відстаней від Землі до Сонця. Це приблизно стільки ж, скільки відстань від Сонця до Сатурна, і приблизно в десять разів ближче, ніж попередня ключова зірка для подібних спостережень – S2.

У цей момент S301 рухається зі швидкістю близько 25 000 км/сек. Це понад 100 000 разів швидше, ніж типова крейсерська швидкість пасажирського літака.

"Ми виявили зірку, яка одразу привернула нашу увагу, тому що її орбіта проходить неймовірно близько до Стрільця A*. Це зірка, яка наближається до Стрільця A* найбільше з усіх відомих досі", – заявив співавтор дослідження Штефан Гілессен з Інституту позаземної фізики імені Макса Планка.

Спостереження за допомогою VLT у Чилі

Команда виявила S301 у 2023 році за допомогою інструмента "GRAVITY" на Дуже великому телескопі-інтерферометрі Європейської південної обсерваторії в Чилі. Система комбінує світло від чотирьох телескопів із дзеркалами по 8,2 метра, що дозволяє проводити надзвичайно точні спостереження центру Чумацького Шляху на відстані близько 27 000 світлових років від Землі.

Після майже двох років додаткових спостережень астрономи підтвердили орбіту. Архівні дані дозволили їм простежити положення зірки назад до 2017 року.

Як S301 може виміряти обертання

Чорні діри викривляють простір-час своєю гравітацією. Якщо чорна діра обертається, вона додатково захоплює простір-час навколо себе – явище, відоме як "захоплення інерційних систем відліку" або ефект Лензе–Тіррінга.

Оскільки S301 проходить дуже глибоко в гравітаційне поле Стрільця A*, обертання чорної діри повинно поступово зміщувати її орбіту. Це невелике, але вимірюване відхилення дасть можливість обчислити швидкість обертання.

"Вперше ми зможемо дійсно прямо виміряти обертання масивної чорної діри, що стане ключовою перевіркою теорії Ейнштейна", – сказав Гілессен.

Астрофізик Ерін Кара з Массачусетського технологічного інституту, яка не брала участі в дослідженні, назвала результат "справді захопливим" і заявила, що він "закладає основу для подібних безпрецедентних вимірювань чорних дір протягом наступного десятиліття".

Наступний ключовий момент – 2031 рік

Наступне найближче проходження S301 повз Стрілець A* очікується наприкінці 2031 року. Моделі команди показують, що близько десяти років регулярних спостережень можуть дозволити досить точне вимірювання, за допомогою якого можна буде розрізнити швидко обертову та майже не обертову чорну діру.

У довгостроковій перспективі вчені сподіваються виміряти також квадрупольний момент Стрільця A*. Це дозволило б перевірити так звану "теорему про відсутність волосся" – ідею про те, що незаряджена чорна діра повністю описується своєю масою та обертанням.

"Ми продовжимо спостерігати за рухом цього об'єкта навколо чорної діри, і ще через десять або п'ятнадцять років, ймовірно, ми зрозуміємо, як обертається чорна діра", – сказав Гілессен.