Самая быстрая звезда в Млечном пути проверит теорию относительности

Фото из открытых источников

Когда астрономы, изучающие центр Млечного пути, обнаружили группу звезд, вращающихся вокруг него с очень высокой скоростью, это доказало, что там находится сверхмассивная черная дыра (СМЧД). Эти звезды, получившие название S-звезды, показали, что в центре галактики находится массивный объект массой около 4 миллионов солнечных масс, который ускоряет движение звезд и формирует их орбиты.

Теперь астрономы обнаружили в этом регионе еще одну S-звезду, самую быстро движущуюся из всех. Она не только очень быстро движется, но и находится на чрезвычайно близком расстоянии от сверхмассивной черной дыры. Она настолько близко, что вращение черной дыры влияет на ее вращение вокруг своей оси.

Об открытии этой звезды сообщается в новой статье, которая будет опубликована в журнале Nature под названием «Открытие звезды, чувствительной к вращению Sgr A*». Ведущий автор — К. Абд Эль Дайем из Лаборатории приборов и исследований в области астрофизики Парижской обсерватории. Статья размещена на сервере препринтов arxiv.org.

«Особенность этой звезды заключается в том, что она вращается вокруг Стрельца А* по очень тесной орбите, совершая полный оборот всего за 8,7 года, и приближается к черной дыре на расстоянии, в 12 раз превышающем расстояние от Земли до Солнца. Это беспрецедентный случай», — сказал соавтор исследования Феликс Манг из MPE.

Звезда называется S301 и движется со скоростью около 25 000 километров в секунду. При такой скорости ей требуется всего около 8,7 лет, чтобы совершить полный оборот. S301 также приближается к сверхмассивной черной дыре на расстояние 12 астрономических единиц. Это означает, что S301 является одновременно ближайшей к сверхмассивной черной дыре и самой быстрой из когда-либо обнаруженных S-звезд.

«Десятилетия тщательного наблюдения за звездами, вращающимися вокруг центральной черной дыры нашей галактики, Стрельца A*, привели к этому прорывному открытию очень перспективной звезды», — заявил лауреат Нобелевской премии Райнхард Гензель. «Поскольку она вращается так близко к Стрельцу A*, S301 открывает новое окно для изучения фундаментальных свойств пространства-времени в этой экстремальной среде черной дыры». Гензель — директор Института внеземной физики им. Макса Планка (MPE) в Гархинге, Германия, и один из основателей коллаборации, которая провела новые наблюдения.

S301 находится так близко к Sgr. A*, что это дает возможность проверить один из аспектов общей теории относительности Эйнштейна. Поскольку сверхмассивная черная дыра Млечного пути очень массивна, она увлекает за собой пространство-время при вращении, влияя на близлежащие звезды. Это означает, что S301 можно использовать для измерения вращения черной дыры.

«С помощью этой звезды мы надеемся в течение следующих 10 лет измерить вращение черной дыры», — сказал Манг.

MPE Стефан Гиллессен, также сыгравший ведущую роль в новом исследовании, добавляет: «Впервые мы сможем напрямую измерить вращение массивной черной дыры, что станет ключевой проверкой теории Эйнштейна».

Когда звезда приближается к Sgr. A*, это позволяет исследователям проверить теорию относительности с помощью эффекта Лензе-Тирринга .

Массивная черная дыра настолько массивна, что при вращении она искажает и деформирует пространство-время. Когда звезда приближается к черной дыре, ее увлекает за собой. Это вызывает орбитальную прецессию, и ближайшая к черной дыре точка звезды будет смещаться при каждом обороте.

Близость S301 к Sgr. A* — это большая удача для исследователей. Благодаря такому близкому расположению им не придётся тратить десятилетия на измерение параметров множества звёзд, чтобы определить вращение чёрной дыры.

«Без этой звезды нам пришлось бы измерять движение других звезд еще несколько десятилетий, чтобы хотя бы приблизительно определить вращение черной дыры», — сказал соавтор исследования Хуан Осорно из Парижской обсерватории LIRA (PSL), Франция.

Обнаружение S301 было непростой задачей, поскольку эта звезда в два миллиарда раз тусклее Бетельгейзе. Исследователи провели многолетнюю кампанию по наблюдению за областью вокруг Sgr. A* с помощью инструмента GRAVITY на Очень большом телескопе-интерферометре (VLTR). Примерно по 100 часов в год, начиная с 2017 года, они использовали GRAVITY для отслеживания движений звезд. Данные всех этих наблюдений были объединены, проанализированы и смоделированы.

«Весной 2023 года мы обнаружили тусклую звезду в 15 угловых миллисекундах к северо-западу от Sgr A*, которая в последующие месяцы сместилась наружу и которую мы обозначили как S301», — пишут авторы. В ходе наблюдений 2023 года они обнаружили звезду в четырех разных положениях и определили ее скорость и траекторию. «В 2024 и 2025 годах мы следили за S301 с помощью специальных наведений, получив соответственно восемь и пять дополнительных астрометрических измерений», — поясняют исследователи.

Исходя из этого, они также обнаружили звезду в предыдущих наблюдениях: наиболее отчетливо — в наблюдениях 2021 года и менее отчетливо — в наблюдениях 2017 года. «В общей сложности у нас есть 19 астрометрических положений S301, которые очерчивают эллипс на небе и дают согласованную орбиту», — пишут авторы.

Что касается того, как эта звезда оказалась так близко к сверхмассивной черной дыре, то вероятным путем была миграция. Звезды не могут образовываться так близко к сверхмассивной черной дыре, поэтому S301 образовалась в другом месте и мигрировала на свою нынешнюю орбиту. Скорее всего, когда-то у нее был партнер в двойной системе, но она отделилась от него в результате разрушения Хиллса.

«В совокупности свойства S301 предполагают простую и непротиворечивую картину: компактная двойная звезда главной последовательности была приливно разделена звездой Sgr A*, оставив S301 на самой релятивистской из известных звездных орбитах и выбросив своего компаньона в виде сверхскоростной звезды», — заключают авторы.