Zvijezda S301 pri najbližem prolasku pokraj Sagittariusa A* (Strijelac A*) doseže oko 25.000 km/s, više od osam posto brzine svjetlosti. Njezina iznimno tijesna orbita ulazi toliko duboko u gravitacijsko polje crne rupe da bi astronomi tijekom sljedećeg desetljeća mogli izmjeriti kako njezina rotacija povlači prostorvrijeme oko sebe.
Astronomi su u neposrednoj blizini supermasivne crne rupe u središtu Mliječne staze pronašli zvijezdu čija orbita nadmašuje sve dosad poznate primjere u tom području. S301 obiđe Sagittarius A* za samo 8,7 godina, a pri najbližem prolasku ubrzava do približno 25.000 km/s. Nijedna druga poznata zvijezda u Mliječnoj stazi ne doseže veću orbitalnu brzinu.
Otkriće je rezultat višegodišnjih promatranja međunarodne suradnje GRAVITY. S301 prvi je put jasno uočena u proljeće 2023. instrumentom GRAVITY na Interferometru Vrlo velikog teleskopa Europskog južnog opservatorija u Čileu. Nakon što su odredili njezinu putanju, istraživači su zvijezdu pronašli i u starijim podacima iz 2021., a slabiji trag postoji i u opažanjima iz 2017.
Zvijezda koja prolazi deset puta bliže od S2
Sagittarius A ima masu od približno 4,3 milijuna Sunčevih masa, a oko njega kruži skup zvijezda čije se putanje već desetljećima koriste za proučavanje gravitacije u ekstremnim uvjetima. Najpoznatija među njima je S2, kojoj za jedan obilazak oko crne rupe treba približno 16 godina. Praćenjem S2 astronomi su već izmjerili gravitacijski crveni pomak i relativističko zakretanje njezine orbite.
S301 ide mnogo dalje. Orbita joj je izrazito izdužena, s ekscentricitetom od približno 0,98, a pri najbližem prolasku dolazi na oko 140 Schwarzschildovih polumjera od Sagittariusa A*. To odgovara udaljenosti od približno 1,8 milijardi kilometara, reda veličine udaljenosti Saturna od Sunca. S301 se crnoj rupi približava oko deset puta više nego S2.
U tom dijelu putanje zvijezda doseže između približno 25.000 i 25.600 km/s, ovisno o tome koja od dviju mogućih orijentacija njezine orbite odgovara stvarnom stanju. Astronomi još nemaju mjerenje radijalne brzine S301, pa zasad ne mogu ukloniti tu dvojbu.
Relativistički učinci već su dovoljno snažni da se orbita ne zatvara u pravilnu elipsu. Točka njezina najbližeg prolaska pomiče se za približno dva stupnja nakon svakog obilaska crne rupe. Taj se učinak, poznat kao Schwarzschildova precesija, izravno očekuje iz Einsteinove opće teorije relativnosti.
Rotacija crne rupe trebala bi ostaviti trag u orbiti
S301 je astronomima zanimljiva zbog još suptilnijeg relativističkog učinka. Rotirajuća crna rupa prema općoj teoriji relativnosti povlači prostorvrijeme oko sebe. Taj fenomen naziva se Lense-Thirringovim učinkom, a njegova bi posljedica trebala biti vrlo mala, ali mjerljiva promjena orijentacije orbite S301.
Kod S2 taj je učinak premalen da bi ga se moglo izmjeriti u razumnom vremenu. S301 prolazi dovoljno blizu crne rupe da bi se razlika mogla nakupiti tijekom nekoliko obilazaka. Simulacije istraživačkog tima pokazuju da bi, uz nastavak preciznih promatranja do sredine 2030-ih, rotaciju Sagittariusa A* moglo biti moguće izravno odrediti iz gibanja zvijezde. S301 je trenutačno jedina poznata zvijezda oko središnje crne rupe koja pruža realnu mogućnost takvog mjerenja u vremenskom razdoblju dostupnom današnjim astronomima.
“To bi bilo ostvarenje sna”, rekao je Felix Mang s Instituta Max Planck za izvanzemaljsku fiziku, jedan od autora istraživanja. Za dovoljno precizno određivanje orbite tim želi pratiti najmanje dva puna obilaska S301.
Takvo mjerenje bilo bi važno jer bi se rotacija Sagittariusa A* određivala izravno iz njezina gravitacijskog utjecaja na zvijezdu. Dugoročnija promatranja mogla bi čak omogućiti strože testove opće relativnosti i ispitivanje još finijih svojstava prostorvremena oko crne rupe.
S301 vjerojatno je nekada imala zvijezdu pratilju
S301 je vjerojatno zvijezda glavnog niza mase manje od približno 1,5 Sunčeve mase. Toliko blizu supermasivnoj crnoj rupi teško je objasniti i njezin nastanak. Snažne plimne sile u neposrednom okolišu Sagittariusa A* otežavaju stvaranje novih zvijezda, a ekstremna orbita S301 upućuje na to da je nastala negdje drugdje.
Jedno od najprirodnijih objašnjenja je Hillsov mehanizam. Prema tom scenariju, S301 je nekada bila dio vrlo tijesnog dvojnog zvjezdanog sustava koji se previše približio crnoj rupi. Gravitacija Sagittariusa A* razdvojila je dvije zvijezde. S301 je ostala zarobljena na izrazito izduženoj orbiti, dok je njezina nekadašnja pratilja izbačena ogromnom brzinom i možda potpuno napustila Mliječnu stazu.
Sličan proces koristi se za objašnjenje hiperbrzih zvijezda koje jure kroz Mliječnu stazu ili je napuštaju. U slučaju S301 astronomi možda promatraju drugu polovicu istog događaja, zvijezdu koja nije izbačena, nego je ostala vezana uz crnu rupu.
Sljedeći prolazak 2031. bit će ključan
S301 je posljednji put prošla najbliže Sagittariusu A* početkom 2023., a sljedeći takav prolazak očekuje se 2031. godine. Astronomi će je nastaviti pratiti instrumentom GRAVITY+, dok bi budući instrument MICADO na ESO-ovu Ekstremno velikom teleskopu trebao omogućiti spektroskopska mjerenja koja danas nedostaju.
Kombinacija tih podataka trebala bi znatno preciznije odrediti trodimenzionalnu orbitu S301. Ako se u njezinoj putanji pojavi očekivani trag povlačenja prostorvremena, astronomi će dobiti novi način proučavanja Sagittariusa A*, ne kroz svjetlost materije koja ga okružuje, nego kroz način na koji sama crna rupa mijenja gibanje zvijezde koja joj prilazi nevjerojatno blizu.
