S301 to najszybsza gwiazda Drogi Mlecznej i pierwsza, która zmierzy obrót Sgr A*

Coś krąży wokół centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej tak szybko i tak blisko, że fizyka wirujących obiektów – nie tylko masywnych – wreszcie staje się testowalna. S301, zidentyfikowana przez zespół z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics przy użyciu należącego do Europejskiego Obserwatorium Południowego instrumentu VLTI, przechodzi w odległości 1,78 miliarda kilometrów od Sagittariusa A* – dystansie porównywalnym z odległością między Słońcem a Saturnem. Robi to z prędkością około 25 000 km/s, czyli 8% prędkości światła. Żadna inna gwiazda zaobserwowana w tym rejonie galaktyki nie poruszała się tak szybko ani nie zbliżyła się tak bardzo.

To, co odróżnia S301 od innych szybko poruszających się gwiazd w pobliżu centrum galaktyki, to nie tylko prędkość – to konsekwencje. Przy takiej bliskości ogólna teoria względności Einsteina przewiduje, że wirująca czarna dziura ciągnie za sobą otaczającą czasoprzestrzeń – efekt zwany przeciąganiem czasoprzestrzeni (Lensego-Thirringa). Ponieważ S301 wchodzi tak głęboko w ten obszar, jej orbita powinna nosić mierzalne ślady tego, jak szybko wiruje Sagittarius A*. Nigdy nie było to możliwe do osiągnięcia z żadną znaną gwiazdą.

„Dzięki tej gwieździe mamy nadzieję, w ciągu najbliższych 10 lat, zmierzyć spin czarnej dziury” – powiedział Felix Mang, główny autor badania i badacz z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. Obecnie nie istnieje bezpośredni pomiar rotacji Sagittariusa A*. S301 może go dostarczyć.

Polecana lekturaGalaktyka Nieskończoność: Kosmiczna kolizja kształtująca nowe zrozumienie genezy czarnych dziur

Inna klasa gwiazd S

Sagittarius A* jest otoczona przez gromadę szybko poruszających się gwiazd zwanych gwiazdami S, katalogowanymi od trzech dekad i wykorzystywanymi do mapowania grawitacyjnego wpływu czarnej dziury. Najbardziej znana z nich, S2, dostarczyła pierwszego bezpośredniego dowodu, że Sagittarius A* ma masę czterech milionów mas Słońca – praca, która przyniosła Reinhardowi Genzlowi i Andrei Ghez Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 roku. S2 osiąga około 7650 km/s w punkcie największego zbliżenia, czyli około 2,5% prędkości światła, na 16-letniej orbicie.

S301 wykonuje pełną orbitę w 8,7 roku – czyli o ponad połowę krócej – a w punkcie największego zbliżenia porusza się trzy razy szybciej niż S2 we własnym perycentrum. Co ważniejsze, przechodzi około 12 jednostek astronomicznych od Sagittariusa A*, czyli około ośmiokrotnie bliżej niż jakakolwiek wcześniej znana gwiazda S. W tej odległości efekty ogólnej teorii względności nie tylko istnieją – kumulują się na orbicie w tempie, które instrumenty w Paranal mogą śledzić rok po roku.

Odkrycia dokonano przy użyciu GRAVITY+, nowej generacji ulepszenia oryginalnego interferometru GRAVITY w Obserwatorium Paranal ESO w Chile. GRAVITY+ łączy światło z czterech 8,2-metrowych teleskopów, osiągając rozdzielczość kątową potrzebną do rozróżnienia pojedynczych gwiazd w gęstej, przesłoniętej pyłem gromadzie wokół centrum galaktyki. Śledząc pozycję S301 w wielu epokach obserwacyjnych, zespół zrekonstruował jej pełną orbitę z wystarczającą precyzją, aby określić odległość perycentrum i prędkość maksymalną.

Dlaczego spin ma znaczenie

Masa Sagittariusa A* jest znana od lat. Ale masa to tylko jedna z dwóch fundamentalnych właściwości, jakie może mieć czarna dziura, obok ładunku elektrycznego – którego astrofizyczne czarne dziury szybko się pozbywają w rzeczywistych środowiskach. Pozostaje spin. Zgodnie z rozwiązaniem Kerra równań pola Einsteina, wirująca czarna dziura niesie moment pędu, a ta rotacja kształtuje geometrię czasoprzestrzeni wokół niej w sposób wykraczający poza to, co wywołuje sama masa.

To, jak szybko wiruje Sagittarius A* i w którym kierunku, determinuje strukturę jego horyzontu zdarzeń i orbity wszystkiego, co znajduje się w pobliżu. Obecne szacunki metodami pośrednimi – modelowanie emisji dysku akrecyjnego zaobserwowanego na obrazie z Event Horizon Telescope z 2022 roku – sugerują, że prawdopodobnie wiruje z umiarkowaną prędkością, ale niepewności pozostają na tyle duże, że obejmują znaczną część dozwolonego zakresu. Pomiar z precesji orbity S301 byłby pierwszym bezpośrednim wyznaczeniem.

Efekt Lensego-Thirringa powoduje, że płaszczyzna orbity gwiazdy wokół wirującego ciała precesuje – powoli się obraca – z szybkością proporcjonalną do parametru spinu czarnej dziury. Dla S301 zespół oblicza, że ta precesja narasta do wykrywalnego poziomu w ciągu nadchodzących lat obserwacji z GRAVITY+.

Czego dane jeszcze nie rozstrzygają

Obowiązuje kilka ważnych ograniczeń. Orbita S301 – jej prędkość, okres i odległość perycentrum – jest już dobrze określona. Precesja wywołana przeciąganiem czasoprzestrzeni nie została jeszcze wykryta; to przyszły pomiar, który wymaga obserwowania gwiazdy przez kilka kolejnych przelotów wokół Sagittariusa A*.

Centrum galaktyki jest także środowiskowo głośne według standardów astrofizycznych. Rozkład gwiazd, gazu i ciemnej materii w tym rejonie generuje newtonowskie perturbacje grawitacyjne, które mogą przesuwać orbitę w sposób naśladujący relatywistyczną precesję. Wyodrębnienie sygnału Lensego-Thirringa wymaga modelowania i odejmowania tych wkładów, co dodaje złożoności i niepewności do ostatecznego pomiaru.

Wreszcie, odkrycie S301 samo w sobie jest zachętą do dokładniejszych poszukiwań. Wewnętrzna gromada gwiazd wokół Sagittariusa A* jest silnie przesłonięta pyłem, a GRAVITY+ może zbadać tylko określony zasięg. Istnieje możliwość, że dalsze gwiazdy krążą jeszcze bliżej, z orbitalnymi sygnaturami niosącymi silniejsze lub inne relatywistyczne ślady.

Najczęstsze pytania dotyczące S301 i Sagittariusa A*

Jak naukowcy znaleźli gwiazdę tak blisko centrum galaktyki? Interferometr Very Large Telescope Interferometer (GRAVITY+) łączy światło z czterech 8-metrowych teleskopów, osiągając rozdzielczość potrzebną do rozróżnienia pojedynczych gwiazd w gęstej gromadzie wokół Sagittariusa A*. Śledząc niewielkie zmiany pozycji przez wiele lat, zespół zrekonstruował pełną orbitę S301.

Czym jest przeciąganie czasoprzestrzeni i dlaczego ma znaczenie? Wirująca masa ciągnie za sobą tkaninę czasoprzestrzeni – im szybszy spin, tym silniejsze przeciąganie. Blisko wirującej czarnej dziury zmienia to ścieżki orbitalne pobliskich obiektów w sposób zależny zarówno od wielkości, jak i kierunku rotacji. Pomiar tego z orbity gwiazdy daje bezpośredni odczyt momentu pędu czarnej dziury – czego żadna inna obecna metoda nie osiągnęła dla Sagittariusa A*.

Jak S301 wypada w porównaniu z innymi gwiazdami S w pobliżu Sgr A*? S2, najczęściej badana gwiazda S, osiąga największe zbliżenie na około 100 jednostek astronomicznych w cyklu 16-letnim. S301 zbliża się ośmiokrotnie bliżej, w 8,7 roku, przy trzykrotnie większej prędkości perycentrum. To połączenie bliskości i krótkiego okresu czyni ją wyjątkowo czułą na efekt przeciągania czasoprzestrzeni.

Czy to zmieni to, co wiemy o czarnej dziurze Drogi Mlecznej? Spin Sagittariusa A* jest obecnie nieograniczony przez bezpośredni pomiar. Jego określenie dopełniłoby podstawowy fizyczny opis centralnej czarnej dziury naszej galaktyki i otworzyłoby testy ogólnej teorii względności w silnym polu grawitacyjnym wirującego środowiska, do którego orbity gwiazd wcześniej nie docierały.

Obserwacje z GRAVITY+ będą kontynuowane przez wiele okresów orbitalnych S301. Zespół spodziewa się, że precesja wywołana przeciąganiem czasoprzestrzeni osiągnie wykrywalny poziom w ciągu około dekady – to wystarczająco krótki czas, aby te same instrumenty i zespół, które odkryły S301, mogli sami dokonać pomiaru spinu.

Źródło: Mang i in., „S301: a new S star orbiting close to Sagittarius A*”, Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10894-w

Tagi: black holes, Sagittarius A*, ESO, frame-dragging, S301

Więcej podobnych

Najenergetyczniejsza cząstka-duch IceCube pochodziła z ukrytej w pyle fabryki gwiazd

Myszy z genem golca piaskowego żyły o 4,4 % dłużej i z mniejszym stanem zapalnym

1775°C dzieli świt od zmierzchu na tej obcej planecie — JWST po raz pierwszy zmapował przyczynę

Po raz pierwszy zobaczono, jak obraca się dysk, w którym rodzą się planety, i coś się nie zgadza

W znieczuleniu mózg wciąż odczytywał mowę i przewidywał następne słowo

Fizycy po raz pierwszy zobaczyli, jak atomy kryształu odwracają swój obrót