Астрономы обнаружили самую быструю из известных звезд Млечного Пути. Объект под названием S301 обращается вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец A* в центре Галактики и при максимальном сближении разгоняется примерно до 25 тыс. км/с. Наблюдения могут впервые позволить ученым напрямую измерить вращение массивной черной дыры. Об этом 19 августа сообщили в журнале Nature.
Самая быстрая звезда Млечного Пути
S301 движется по чрезвычайно вытянутой орбите вокруг Стрельца A*, масса которого примерно в 4,3 млн раз превышает массу Солнца. Полный оборот звезда совершает за 8,7 года, это самый короткий известный период обращения звезды вокруг центральной черной дыры Млечного Пути. Предыдущий рекорд принадлежал звезде S55, также известной как S0-102, с периодом около 12 лет.
При прохождении ближайшей к черной дыре точки орбиты скорость S301 достигает 25–25,6 тыс. км/с, или примерно 8,3–8,5% скорости света. Это около 90 млн км/ч и приблизительно в 100 тыс. раз больше скорости обычного пассажирского самолета.
В этот момент расстояние между звездой и черной дырой сокращается примерно до 1,78 млрд км. Это соответствует 12 расстояниям от Земли до Солнца и лишь примерно на 20% превышает расстояние между Солнцем и Сатурном. Ни одна из известных звезд у центра Млечного Пути не приближается к Стрельцу A* так близко.
«Это беспрецедентно», — отметил аспирант Института внеземной физики Общества Макса Планка и один из авторов исследования Феликс Манг.
Орбита S301 отличается крайне высокой вытянутостью: ее эксцентриситет составляет более 0,98. В ближайшей точке звезда оказывается на расстоянии всего 136–142 радиусов Шварцшильда от черной дыры — примерно в десять раз ближе, чем хорошо изученная звезда S2.
Справка «Известий»Именно S2 на протяжении десятилетий служила главным естественным инструментом для проверки общей теории относительности в центре Галактики. В 2018 году астрономы зафиксировали при ее сближении со Стрельцом A* гравитационное красное смещение, а позднее обнаружили поворот орбиты, согласующийся с предсказаниями Эйнштейна.
Однако S2 совершает один оборот за 16 лет и проходит слишком далеко от черной дыры, поэтому измерение ее вращения по движению этой звезды потребовало бы нескольких десятилетий наблюдений.
Как S301 поможет измерить вращение черной дыры
Согласно общей теории относительности, вращающийся массивный объект увлекает за собой окружающее пространство-время. Это явление известно как эффект Лензе — Тирринга, или увлечение системы отсчета. Его можно условно сравнить с тем, как вращающаяся ложка заставляет двигаться воду в чашке.
Эффект должен постепенно изменять ориентацию орбиты находящегося рядом объекта. Однако воздействие быстро ослабевает по мере удаления от черной дыры, поэтому обнаружить его по движению известных звезд до сих пор было чрезвычайно сложно. Орбита S301 проходит достаточно близко к Стрельцу A*, чтобы вызываемые вращением изменения потенциально можно было измерить за доступный ученым срок.
Основной релятивистский эффект, действующий на S301, связан с искривлением пространства-времени массой черной дыры. Из-за него точка максимального сближения звезды смещается примерно на 1,9–2 градуса после каждого оборота. В результате траектория не замыкается в обычный эллипс, а постепенно формирует фигуру, напоминающую розетку.
Дополнительное смещение, вызванное именно вращением Стрельца A*, будет значительно меньше. Его величина зависит от скорости вращения черной дыры и взаимного расположения оси вращения и орбиты звезды. Накопившиеся за несколько прохождений изменения тем не менее могут стать достаточно заметными для современных и строящихся телескопов.
По оценке исследователей, в течение следующего десятилетия появится реальная возможность напрямую определить параметры вращения Стрельца A* по движению S301. Это позволит проверить описание вращающихся черных дыр в рамках метрики Керра и получить новый тест общей теории относительности в условиях сильной гравитации.
«Это стало бы ключевой проверкой теории Эйнштейна», — подчеркнул один из ведущих авторов работы, сотрудник Института внеземной физики Общества Макса Планка Штефан Гилессен.
При этом вращение черной дыры пока еще не измерено. Авторы работы говорят только о чувствительности орбиты S301 к соответствующему эффекту и возможности зарегистрировать его в будущем. Для надежного результата астрономам необходимо продолжать наблюдения, получить данные о лучевой скорости звезды и уточнить пространственную ориентацию ее орбиты.
Сейчас ученые располагают двумя возможными вариантами расположения траектории S301. Неопределенность связана с тем, что существующие спектроскопические данные пока не позволяют измерить скорость движения звезды вдоль луча зрения. Оба решения, однако, дают практически одинаковые период обращения, эксцентриситет и расстояние максимального сближения.
Как удалось рассмотреть S301
S301 чрезвычайно трудно наблюдать: на земном небе она выглядит примерно в 2 млрд раз тусклее Бетельгейзе — одной из самых ярких звезд созвездия Ориона. Ее видимая звездная величина в инфракрасном диапазоне K составляет 19,3.
Для обнаружения объекта исследователи использовали очень большой телескоп-интерферометр Европейской Южной обсерватории (VLTI), расположенный в обсерватории Параналь в Чили, и установленный на нем инструмент GRAVITY. Система объединяет свет четырех телескопов с зеркалами диаметром 8 м, фактически создавая единый виртуальный телескоп. Его пространственное разрешение примерно в 15 раз превосходит возможности одного такого телескопа.
Впервые исследователи заметили S301 весной 2023 года. Затем за звездой целенаправленно наблюдали в 2024 и 2025 годах. Зная предварительные параметры орбиты, ученые смогли найти ее следы в более ранних данных, включая наблюдения 2017 и 2021 годов.
Всего исследователи получили 19 астрометрических положений S301, по которым восстановили ее траекторию. Ученые установили, что последнее максимальное сближение звезды со Стрельцом A* произошло в начале 2023 года. По яркости и поведению объекта исследователи предположили, что S301 является звездой главной последовательности позднего спектрального класса A или раннего класса F. Наиболее вероятный тип — F1,5. Ее масса может составлять от 1,1 до 1,5 массы Солнца, а радиус — примерно 1,4–1,6 солнечного радиуса.
Компактные размеры позволяют S301 выдерживать сближение с черной дырой без приливного разрушения. Более крупная звезда-гигант на такой орбите могла бы начать терять внешние слои, однако в наблюдениях признаков подобного процесса не обнаружено.
Откуда у звезды появилась необычная орбита
Звезды не могут формироваться на столь малом расстоянии от сверхмассивной черной дыры. Поэтому авторы исследования предполагают, что в прошлом S301 входила в двойную звездную систему. Когда пара приблизилась к Стрельцу A*, приливные силы черной дыры могли разорвать ее. В результате S301 оказалась захвачена гравитацией и перешла на вытянутую орбиту. Вторую звезду при этом могло выбросить с настолько высокой скоростью, что она получила возможность полностью покинуть Млечный Путь. Такой сценарий известен как механизм Хиллса.
Следующее максимальное сближение S301 с черной дырой ожидается в 2031 году. К этому времени ученые рассчитывают продолжить наблюдения с помощью инструмента GRAVITY+, а позднее подключить прибор MICADO на строящемся чрезвычайно большом телескопе ESO. MICADO должен помочь получить спектр S301 и измерить ее лучевую скорость. Объединение этих данных с точными сведениями о положении позволит восстановить трехмерное движение звезды и устранить существующую неопределенность в ориентации орбиты.
Моделирование наблюдений до 2035 года показало, что при благоприятной ориентации и высокой скорости вращения Стрельца A* ученые смогут определить безразмерный параметр вращения с погрешностью менее 0,2. Для этого потребуется отслеживать как минимум два полных оборота S301 и особенно подробно изучить ее прохождение рядом с черной дырой в 2031 году.
В более отдаленной перспективе наблюдения могут помочь проверить так называемую теорему об отсутствии волос. Согласно ей, астрофизическую черную дыру можно полностью описать с помощью массы, момента импульса и электрического заряда, который в реальных космических условиях, как правило, должен быть близок к нулю.