Звезда-рекордсмен S301 поможет измерить вращение черной дыры в центре Галактики

Международная коллаборация GRAVITY+, объединяющая астрономов из обсерваторий и университетов Европы, Чили, США и Израиля, сообщила об открытии необычной звезды S301, которая движется по рекордно короткой и вытянутой орбите вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Открытие, основанное на многолетних наблюдениях с помощью интерферометра GRAVITY на Очень большом телескопе Европейской южной обсерватории, опубликовано на сайте препринтов arXiv и готовится к печати в журнале Nature. Главная особенность в том, что эта тусклая звезда подходит к черной дыре почти в десять раз ближе, чем известная звезда S2, из-за чего ее движение становится исключительно чувствительным к вращению черной дыры — эффекту, который до сих пор не удавалось измерить прямым динамическим методом.

В центре нашей Галактики, на расстоянии около 26 тысяч световых лет от Земли, находится сверхмассивная черная дыра, которую астрономы называют Стрелец A* (Sgr A*). Ее масса в 4,3 миллиона раз больше массы Солнца. Вокруг нее обращается небольшое семейство звезд, известных как S-звезды. Наблюдая за их движением, ученые уже давно проверяют предсказания теории относительности Эйнштейна. Самая известная из таких звезд — S2, совершает один оборот за 16 лет и проходит на относительно безопасном расстоянии от черной дыры. Однако для измерения спина черной дыры, то есть ее вращения, нужна звезда, которая подлетает значительно ближе и движется намного быстрее.

Именно такую звезду и обнаружила команда GRAVITY+. Они использовали уникальную технику интерферометрии, соединение света от нескольких крупных телескопов, которая позволяет получать изображения с рекордным угловым разрешением, сравнимым с размерами орбиты Земли вокруг Солнца, но на расстоянии в тысячи световых лет. Наблюдения велись с 2017 года, и в 2023 году на снимках, полученных с помощью специального кода восстановления изображений, проявилась новая точка. Звезду назвали S301. Ее яркость в инфракрасном K-диапазоне соответствует 19,3 звездной величине, то есть она очень тусклая, примерно в 5 раз слабее, чем S2, но это как раз указывает на то, что перед нами обычная звезда главной последовательности, похожая на Солнце, только чуть массивнее и горячее.

Дальнейшие наблюдения в 2024 и 2025 годах позволили точно восстановить орбиту S301. Оказалось, что период ее обращения составляет всего 8,7 года, это новый рекорд среди всех известных звезд в центре Галактики. Но самое удивительное это форма орбиты: она чрезвычайно вытянута, с эксцентриситетом более 0,98. Это значит, что в самой дальней точке звезда находится довольно далеко, а в самой ближней, в перицентре, она подходит к черной дыре на расстояние всего около 140 радиусов Шварцшильда — это величина, которая характеризует размер горизонта событий черной дыры.

Для сравнения, звезда S2 подходит на 1400 таких радиусов, то есть в десять раз дальше. На таком близком расстоянии гравитация становится экстремально сильной, и скорость S301 в момент максимального сближения достигает 25 тысяч километров в секунду, а это почти 9 процентов от скорости света.

Именно эта невероятная близость и скорость делают S301 уникальным инструментом для проверки общей теории относительности. Вблизи массивной черной дыры работают сразу несколько релятивистских эффектов. Первый из них это гравитационное красное смещение и поперечный эффект Доплера, которые проявляются уже в первом приближении и были измерены для S2. Второй, это так называемая шварцшильдовская прецессия, то есть медленный поворот самой орбиты, который для S301 составляет около 2 градусов за один оборот.

Но самое важное это вклад вращения черной дыры. Согласно теории Керра, вращающаяся черная дыра увлекает за собой пространство-время, что приводит к дополнительному, более слабому эффекту, известному как прецессия Лензе-Тирринга. Для S301 этот вклад составляет примерно 0,11 градуса за оборот, и хотя он в десятки раз меньше основного, современная точность измерений и планируемые наблюдения в ближайшее десятилетие позволят его зафиксировать.

Авторы работы провели моделирование будущих наблюдений, предполагая использование как существующего инструмента GRAVITY+, так и будущего экстремально большого телескопа ELT с его спектрографом MICADO. Они показали, что если вращение черной дыры будет достаточно быстрым, то уже к 2035 году можно будет не только измерить сам параметр спина с точностью лучше 20 процентов, но и определить его ориентацию в пространстве. Это будет первое прямое динамическое измерение вращения сверхмассивной черной дыры, независимое от моделей аккреции или рентгеновских спектров. Такой результат стал бы еще одним убедительным подтверждением общей теории относительности в сильном гравитационном поле.

Что касается происхождения S301, ученые предполагают, что она возникла в результате так называемого механизма Хиллса. Это процесс, когда двойная звезда, состоящая из двух звезд, обращающихся друг вокруг друга, подходит слишком близко к черной дыре. Мощное приливное поле разрывает пару: одна звезда выбрасывается из центра Галактики на огромной скорости, становясь гиперскоростной звездой, а вторая захватывается на тесную вытянутую орбиту вокруг черной дыры.

Расчеты показывают, что исходная двойная система должна была иметь период обращения всего около 5–20 дней, что типично для компактных двойных систем из звезд типа F. Такой сценарий естественным образом объясняет и высокий эксцентриситет, и возраст звезды, который оценивается примерно в 2 миллиарда лет — этого достаточно, чтобы она сохранилась до наших дней, но не настолько много, чтобы релятивистские эффекты успели существенно изменить ее орбиту.

Важно отметить, что S301 находится в так называемой зоне, где гравитационное влияние черной дыры настолько сильное, что обычные процессы звездной релаксации (переход в равновесное состояние), вызванные столкновениями с другими звездами и остатками, здесь подавлены. Это означает, что ее орбита остается практически неизменной под действием посторонних возмущений, и любые отклонения от кеплеровского движения можно с высокой уверенностью приписывать именно эффектам общей теории относительности.

Проведенные численные симуляции с учетом возможного присутствия маломассивных черных дыр в центральном скоплении показали, что их влияние на прецессию орбиты в несколько раз меньше, чем ожидаемый сигнал от вращения Sgr A*, особенно если направление вращения близко к направлению орбитального движения звезды. Кроме того, приливное воздействие самой черной дыры на S301 пренебрежимо мало, поскольку звезда имеет сравнительно небольшие размеры и массу, что исключает ее разрушение или заметный нагрев при сближении.

Таким образом, открытие S301 открывает новую главу в изучении центра нашей Галактики. Впервые появилась реальная возможность с помощью одной звезды измерить фундаментальный параметр сверхмассивной черной дыры — ее вращение (спин), используя только данные о движении. Это не только проверит предсказания теории относительности на новом, более глубоком уровне, но и поможет понять, как такие черные дыры формировались и эволюционировали. Пока что S301 остается единственным известным объектом, способным дать такую информацию, но дальнейшие наблюдения с повышенной чувствительностью могут выявить целую популяцию подобных тусклых звезд, что позволит получить статистически надежные ограничения на спин Sgr A* и на распределение темной материи и остатков звезд в самом сердце нашей Галактики.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях