Najszybsza gwiazda w Drodze Mlecznej odkryta. Pędzi z niewiarygodną prędkością

W centrum Drogi Mlecznej znajduje się Sagittarius A*, supermasywna czarna dziura o masie około czterech milionów razy większej od masy Słońca. Od dekad astronomowie obserwują gwiazdy krążące wokół niej, próbując jak najdokładniej opisać ich ruch.

Teraz do tego grona dołączyła S301. Jej orbita jest wyjątkowo ciasna. Gwiazda potrzebuje zaledwie 8,7 roku, aby wykonać pełne okrążenie wokół Sagittarius A*. Podczas największego zbliżenia znajduje się w odległości około 12 razy większej niż dystans dzielący Ziemię od Słońca. To mniej więcej odległość porównywalna ze skalą orbity Saturna.

Sama odległość nie robi jeszcze pełnego wrażenia, dopóki nie przypomnimy sobie, z czym mamy do czynienia. Mówimy o gwieździe pędzącej wokół obiektu o masie czterech milionów Słońc, a jej prędkość w pobliżu czarnej dziury sięga około 25 tys. km/s.

To ponad 8 proc. prędkości światła.

Najważniejsze w tym odkryciu nie jest jednak samo pobicie rekordu prędkości. S301 może stać się dla fizyków czymś w rodzaju naturalnego laboratorium do badania tego, co dzieje się z czasoprzestrzenią w bezpośrednim otoczeniu czarnej dziury.

Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina masywne obiekty zakrzywiają czasoprzestrzeń. Czarna dziura dodatkowo może się obracać, a jej ruch powinien powodować zjawisko znane jako wleczenie czasoprzestrzeni.

Można to w uproszczeniu wyobrazić sobie jak obracający się ciężki przedmiot, który „pociąga” za sobą otaczającą go strukturę. W przypadku czarnej dziury nie chodzi jednak o żadną materialną substancję. Zmienia się geometria samej czasoprzestrzeni, a konsekwencje tego powinny być widoczne między innymi w ruchu obiektów krążących wokół czarnej dziury.

Im bliżej znajduje się obiekt i im szybciej porusza się wokół wirującej czarnej dziury, tym wyraźniejszy powinien być ten efekt. S301 znajduje się właśnie w takim miejscu.

To dlatego naukowcy wiążą z odkryciem S301 duże nadzieje. Jeżeli przez kolejne lata uda się wystarczająco dokładnie śledzić jej orbitę, możliwe będzie określenie, jak szybko obraca się Sagittarius A*.

Byłby to bezpośredni pomiar jednej z podstawowych właściwości supermasywnej czarnej dziury. Jednocześnie stanowiłby bardzo wymagający test ogólnej teorii względności w ekstremalnych warunkach.

Do tej pory astronomowie obserwowali wiele gwiazd poruszających się wokół Sagittarius A*, ale żadna nie zbliżała się do niej w sposób pozwalający tak wyraźnie uchwycić wpływ rotacji czarnej dziury. W przypadku wcześniejszych obserwacji potrzebne byłyby prawdopodobnie kolejne dziesięciolecia pomiarów.

S301 może znacząco skrócić ten czas. Naukowcy przewidują, że w ciągu najbliższych 10 lat powinno być możliwe zebranie danych wystarczających do oszacowania spinu Sagittarius A*.

S301 nie jest łatwym obiektem do obserwacji. Z perspektywy Ziemi jest około dwóch miliardów razy słabsza od Betelgezy, jednej z najbardziej charakterystycznych gwiazd widocznych na nocnym niebie.

Do jej wykrycia wykorzystano interferometr Very Large Telescope Interferometer (VLTI) Europejskiego Obserwatorium Południowego w Chile oraz instrument GRAVITY, który po modernizacji działa obecnie w ulepszonej wersji GRAVITY+.

VLTI wykorzystuje cztery 8-metrowe teleskopy. Ich światło może zostać połączone w taki sposób, aby obserwatorium działało jak jeden ogromny, wirtualny teleskop. Dzięki temu astronomowie uzyskują znacznie większą zdolność rozdzielczą niż w przypadku pojedynczego teleskopu.

To właśnie precyzja tych obserwacji pozwoliła nie tylko dostrzec S301, lecz także śledzić jej ruch i odtworzyć wcześniejszą część orbity. Pierwsze obserwacje nowej gwiazdy wykonano wiosną 2023 r., a analiza danych pozwoliła prześledzić jej położenie również wstecz, aż do 2017 r.

Okazało się, że S301 przeszła najbliżej Sagittarius A* na początku 2023 r.

Jest jeszcze jeden interesujący element tej historii. Astronomowie uważają, że S301 prawdopodobnie nie powstała w miejscu, w którym obecnie ją obserwujemy.

W bezpośrednim sąsiedztwie supermasywnej czarnej dziury warunki są tak ekstremalne, że powstawanie gwiazd tego typu jest bardzo mało prawdopodobne. Jednym z wyjaśnień jest więc scenariusz, w którym S301 była kiedyś częścią układu podwójnego.

Dwie gwiazdy mogły zbliżyć się zbyt mocno do Sagittarius A*. Ogromna siła grawitacji czarnej dziury rozerwała układ, a obie gwiazdy zostały rozdzielone. Jedna z nich mogła zostać uwięziona na ciasnej orbicie wokół czarnej dziury, podczas gdy druga otrzymała tak duży impuls, że została wyrzucona z ogromną prędkością.

W skrajnym przypadku taki obiekt może nawet opuścić Drogę Mleczną. Astronomowie znają już gwiazdy uciekające z naszej galaktyki z niezwykle dużymi prędkościami, a oddziaływania z Sagittarius A* są jednym z mechanizmów, które mogą je rozpędzać.

Odkrycie S301 pokazuje, jak bardzo zmieniły się możliwości obserwowania centrum naszej galaktyki. Jeszcze kilka dekad temu astronomowie mogli przede wszystkim wnioskować o istnieniu Sagittarius A* na podstawie ruchu otaczających ją gwiazd. Dziś potrafią śledzić pojedyncze obiekty poruszające się z ogromną prędkością w jej bezpośrednim sąsiedztwie.

S301 jest szczególnie cenna, ponieważ łączy kilka cech, których naukowcy potrzebują do przeprowadzenia niezwykle precyzyjnego testu. Ma krótką, ciasną orbitę, osiąga rekordową prędkość i zbliża się do Sagittarius A* bardziej niż jakakolwiek wcześniej obserwowana gwiazda.

Przez najbliższe lata astronomowie będą więc obserwować ją z wyjątkową uwagą. Jeżeli kolejne pomiary potwierdzą przewidywane zmiany jej orbity, S301 może pozwolić po raz pierwszy bezpośrednio zmierzyć obrót supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej.

A przy okazji sprawdzić, czy czasoprzestrzeń zachowuje się dokładnie tak, jak przewidział Einstein ponad sto lat temu.

Główna ilustracja: Zdjęcie przedstawia wszystkie znane gwiazdy w centrum galaktyki, krążące wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury Sgr A*. Obszar centralny jest zdominowany przez młode, gorące gwiazdy (niebieskie) oraz kilka chłodniejszych gwiazd (pomarańczowo-czerwone). Jedna z chłodniejszych gwiazd, S301, znajduje się bardzo blisko Sgr A*, mniej więcej w odległości równej odległości między Słońcem a Saturnem. Sama Sgr A* jest otoczona gorącą plazmą, której światło jest zakrzywiane przez silną grawitację czarnej dziury. Ilustracja: MPE