У центрі Чумацького Шляху ховається надмасивна чорна діра Стрілець А* масою близько чотирьох мільйонів Сонць. Довкола неї десятиліттями стежать за рухом зірок — саме так у свій час підтвердили саме існування цієї чорної діри. Тепер команда астрономів, що працює з інструментом GRAVITY+ на VLTI обсерваторії ESO в Чилі, знайшла зірку, яка б'є всі попередні рекорди близькості та швидкості. Дослідження опубліковане в журналі Nature.
Рекордна швидкість і рекордна близькість
Нову зірку назвали S301. У найближчій точці своєї орбіти вона розганяється до 25 000 км/с — це у сто тисяч разів швидше за пасажирський літак і понад 8% швидкості світла. Це найшвидша з відомих зірок Галактики.
Повний оберт навколо Стрільця А* займає лише 8,7 року — надзвичайно короткий період для об'єкта, що обертається навколо чорної діри такої маси. Мінімальна відстань до неї становить 1,78 мільярда км — приблизно 12 астрономічних одиниць, тобто лише на 20% більше за відстань від Сонця до Сатурна. Жодна інша зірка не підходила до Стрільця А* так близько за весь час спостережень.
За словами Фелікса Манга, аспіранта Інституту позаземної фізики Товариства Макса Планка (MPE) і автора дослідження, така тісна й швидка орбіта — явище безпрецедентне.
Як шукали зірку, невидиму неозброєним оком
Зірка S301 у два мільярди разів тьмяніша, ніж Бетельгейзе — помітна оком помаранчева зірка сузір'я Оріона. Знайти такий слабкий об'єкт поруч із яскравим і хаотичним центром Галактики — складне технічне завдання.
Тут допоміг Дуже великий телескопний інтерферометр (VLTI) обсерваторії Паранал у Чилі. Він об'єднує світло чотирьох 8-метрових телескопів у єдиний "віртуальний" телескоп із приблизно вдесятеро кращою просторовою роздільною здатністю, ніж в одного 8-метрового дзеркала. За словами співавтора дослідження Франка Айзенгауера, керівника проєкту GRAVITY+, Паранал — єдине місце у світі, де можна проводити такі спостереження, оскільки більше ніде немає чотирьох 8-метрових телескопів, здатних працювати разом як інтерферометр.
Команда використовує інструмент GRAVITY на VLTI для стеження за зірками центру Галактики з 2017 року. Останні кілька років інструмент і сам інтерферометр пройшли модернізацію під назвою GRAVITY+, що дозволило знаходити дедалі тьмяніші об'єкти. Перший прямий знімок S301 отримали навесні 2023 року, а історію її орбіти дослідники змогли простежити аж до 2017-го, встановивши, що останнє найближче зближення з чорною дірою відбулося на початку 2023 року.
Звідки взялася зірка на такій орбіті
Настільки тісна орбіта викликає питання: зірки не можуть формуватися так близько до масивної чорної діри — приливні сили просто не дозволили б газовій хмарі стягнутися в зорю. Орбітальні властивості S301 вказують на інше пояснення.
Найімовірніше, S301 колись входила до подвійної зоряної системи. Коли ця пара наблизилася до Стрільця А*, приливні сили чорної діри розірвали її: одна зірка залишилась захопленою на тісній орбіті навколо чорної діри, а її колишню компаньйонку, ймовірно, викинуло з такою величезною швидкістю, що вона, найпевніше, покинула Галактику остаточно.
Що можна дізнатися про спін чорної діри
Головна причина інтересу до S301 — не просто рекорди швидкості й близькості, а можливість перевірити один із наріжних передбачень загальної теорії відносності Ейнштейна.
Згідно з цією теорією, обертання (спін) чорної діри закручує навколишній простір-час — ефект, який сильніше проявляється саме для об'єктів, що обертаються близько і швидко навколо швидко обертальних чорних дір. Саме тому S301, з її тісною й швидкою орбітою, стала першою відомою зіркою, чий рух може безпосередньо відчувати спін Стрільця А*.
Вперше ми зможемо напряму виміряти спін масивної чорної діри, а це стане ключовою перевіркою теорії ЕйнштейнаШтефан Гіллессен, Інститут позаземної фізики Товариства Макса Планка
Хуан Осорно з Паризької обсерваторії, який також відіграв ключову роль у дослідженні, зазначає, що без цієї зірки довелося б стежити за рухом інших зірок ще кілька десятиліть, щоб хоч якось наблизитися до вимірювання спіну чорної діри.
Реінгард Генцель, лауреат Нобелівської премії, директор MPE і один із засновників колаборації, підкреслює, що відкриття стало результатом десятиліть уважного спостереження за зірками поблизу центру Галактики. За його словами, близькість S301 до Стрільця А* відкриває нове вікно у фундаментальні властивості простору-часу в цьому екстремальному оточенні чорної діри.
Наступне найближче зближення S301 із чорною дірою станеться у 2031 році. Подальші спостереження за допомогою GRAVITY+, а згодом і приладу MICADO на майбутньому Надзвичайно великому телескопі ESO (ELT), дозволять простежити хоча б дві повні орбіти зірки. Саме такий об'єм даних потрібен, щоб з достатньою точністю визначити траєкторію S301 і, вперше, безпосередньо виміряти швидкість обертання надмасивної чорної діри в центрі нашої Галактики.
