Najszybsza gwiazda w Drodze Mlecznej zdradzi obrót czarnej dziury w centrum Galaktyki

Gwiazda, która czuje obrót czarnej dziury

Astronomowie korzystający z interferometru Very Large Telescope (VLTI) w Chile odkryli gwiazdę S301, która krąży wokół supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej po niezwykle ciasnej orbicie.
Podczas najbliższego podejścia do czarnej dziury gwiazda osiąga prędkość około 25 000 km/s, czyli ponad 8% prędkości światła, co czyni ją najszybszą znaną gwiazdą w naszej Galaktyce.
To właśnie ta rekordowa orbita sprawia, że S301 staje się pierwszą gwiazdą, dzięki której można bezpośrednio zmierzyć obrót (spin) supermasywnej czarnej dziury – jeden z kluczowych parametrów w astrofizyce i testach ogólnej teorii względności.

Tło naukowe: czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej

W centrum Drogi Mlecznej znajduje się Sagittarius A*, supermasywna czarna dziura o masie około czterech milionów Słońc, otoczona gęstą menażerią gwiazd.
Od kilku dekad astronomowie śledzą ruch tych gwiazd, aby potwierdzić istnienie czarnej dziury, mierzyć jej masę oraz testować efekty ogólnej teorii względności, takie jak zakrzywianie torów ruchu w silnym polu grawitacyjnym.
Teoria przewiduje, że rotująca się czarna dziura wlecze ze sobą czasoprzestrzeń – zjawisko zwane ramieniem wleczącym (tzw. Efekt Lensego-Thirringa) – które subtelnie zakrzywia orbity pobliskich obiektów.

Jak udało się dostrzec tak trudny cel?

S301 jest gwiazdą niezwykle słabą na niebie i ginie w jasnym, zamglonym tle centrum Galaktyki, dlatego jej wykrycie było możliwe dzięki interferometrii optycznej.
Interferometr VLTI łączy światło z czterech 8‑metrowych teleskopów ESO, tworząc wirtualny teleskop o rozdzielczości około 15 razy większej niż pojedynczy teleskop, co pozwala rozróżniać gwiazdy w bezpośrednim sąsiedztwie Sagittarius A*.
Kluczową rolę odegrał instrument GRAVITY+, ulepszona wersja wcześniejszego GRAVITY, który od 2017 roku śledzi gwiazdy w centrum Drogi Mlecznej z niespotykaną precyzją położenia i prędkości.

Rekordowa orbita S301

Nowe pomiary pokazują, że S301 okrąża czarną dziurę w zaledwie 8,7 roku – to najkrótsza znana orbita wśród gwiazd w tym regionie.
Podczas najbliższego przejścia gwiazda zbliża się do Sagittarius A* na odległość około 12 jednostek astronomicznych, czyli mniej więcej dystans Saturn–Słońce, co oznacza, że wchodzi w obszar ekstremalnie silnej grawitacji.
Z analizy orbity wynika też, że S301 najpewniej powstała dalej od czarnej dziury, jako część układu podwójnego, który został rozerwany przez jej potężne siły pływowe: jedna gwiazda została schwytana na ciasnej orbicie, a druga wyrzucona z taką prędkością, że mogła opuścić Galaktykę.

Po co mierzyć obrót czarnej dziury?

Dotąd astronomowie mogli z dużą dokładnością mierzyć masę Sagittarius A*, ale rotacja czarnej dziury pozostawała słabo poznana, bo wymaga obiektu krążącego bardzo blisko centrum.
Spin czarnej dziury wpływa na wygląd i kierunek dżetów, efektywność akrecji materii oraz historię wzrostu masy – innymi słowy zdradza, jak czarna dziura dorastała w trakcie życia Galaktyki.
Precyzyjny pomiar spinu Sagittarius A* będzie też kolejnym, bardzo wymagającym testem ogólnej teorii względności w ekstremalnym polu grawitacyjnym, uzupełniając wyniki obserwacji fal grawitacyjnych i obrazów horyzontów zdarzeń innych czarnych dziur.

Co dalej: wyścig do roku 2031

Zespół GRAVITY+ już prześledził fragment orbity S301 i cofnął jej historię aż do 2017 roku, a najbliższe podejście do czarnej dziury miało miejsce na początku 2023 roku.
Kluczowe będzie obserwowanie gwiazdy przez co najmniej dwa pełne obiegi, aż do kolejnego bliskiego przejścia w 2031 roku, aby zrekonstruować orbitę z wystarczającą dokładnością do wyznaczenia spinu czarnej dziury.
W nadchodzących latach astronomowie planują wykorzystać zarówno GRAVITY+, jak i przyszły instrument MICADO na budowanym obecnie olbrzymim teleskopie ELT, co powinno jeszcze poprawić precyzję pomiarów i otworzyć drogę do podobnych badań w innych galaktykach.

---

Źródła

Główne źródło:

• ESO Press Release: Milky Way’s fastest star orbits our supermassive black hole so closely it feels its spin

Źródła kontekstowe:

• K. Abd El Dayem et al., Discovery of a star sensitive to the spin of Sgr A *,
• ESO Video: Does the Milky Way central black hole rotate? This star could tell us,
• Berkeley Lab: Scientists Release Biggest 2D Map of the Universe

Opracowanie: Agnieszka Nowak