В самом центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, масса которой примерно в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца. Рядом с ней гравитация настолько сильна, что звезды движутся по крайне необычным орбитам.
Теперь астрономы обнаружили объект, который выделяется даже на этом фоне. Звезда S301 обращается вокруг Стрельца A* всего за 8,7 года и в момент максимального сближения разгоняется более чем до 25 тысяч километров в секунду.
Это около 8,5% скорости света.
При этом звезда подходит к черной дыре на расстояние, сравнимое с расстоянием от Солнца до Сатурна. Такая траектория делает ее особенно ценным инструментом для изучения самого Стрельца A*.
Черную дыру невозможно наблюдать непосредственно по исходящему от нее свету, поэтому астрономы исследуют ее по поведению окружающего вещества и звезд. Именно таким способом ранее удалось провести несколько важных проверок общей теории относительности.
Особенно полезной была звезда S2. Она совершает оборот вокруг центра Галактики примерно за 16 лет и в 2018 году приблизилась к черной дыре настолько, что ученые смогли измерить эффекты, вызванные ее мощным гравитационным полем.
Но S301 подходит примерно в десять раз ближе.
Ее орбита сильно вытянута: звезда буквально ныряет глубоко в гравитационное поле черной дыры, резко ускоряется около нее, а затем снова удаляется.
Самое интересное здесь даже не огромная скорость. В точке максимального сближения S301 должна проходить через область, где вращение черной дыры начинает увлекать за собой само пространство-время.
Этот эффект известен как увлечение инерциальных систем. Вращающаяся черная дыра словно слегка закручивает окружающее пространство, и это должно едва заметно изменять орбиту пролетающей рядом звезды.
Астрономы могут рассчитать, как двигалась бы S301 без этого эффекта, а затем сравнить расчет с реальными наблюдениями. Разница позволит определить скорость и направление вращения Стрельца A*.
Массу этой черной дыры ученые уже измерили с точностью лучше одного процента. Следующим важным параметром должно стать ее вращение.
А в дальнейшем S301 может помочь провести еще более серьезную проверку общей теории относительности — так называемой теоремы об отсутствии волос.
Согласно ей, для практически незаряженной черной дыры достаточно знать ее массу и вращение, чтобы определить остальные свойства ее гравитационного поля.
Одного измерения вращения для полноценной проверки недостаточно. Но при длительных наблюдениях орбита S301 может позволить определить еще одну характеристику — квадрупольный момент черной дыры.
Общая теория относительности точно предсказывает, каким он должен быть при известных массе и вращении. Если наблюдения совпадут с расчетом, Стрелец A* пройдет одну из самых серьезных проверок этой теории.
У самой S301 может быть и необычная история происхождения.
Ее крайне вытянутая орбита позволяет предположить, что когда-то звезда могла входить в двойную систему, которая слишком близко приблизилась к Стрельцу A*. Черная дыра могла разорвать пару: одну звезду захватить на тесную орбиту, а вторую выбросить прочь с огромной скоростью.
Однако одной формы орбиты недостаточно, чтобы доказать такой сценарий. Намного убедительнее было бы обнаружить бывшую звезду-компаньона, удаляющуюся от центра Галактики.
Следующее максимальное сближение S301 с черной дырой произойдет ближе к концу 2031 года. Именно тогда влияние вращения Стрельца A* на ее траекторию должно проявиться сильнее всего.
Астрономы продолжат следить за звездой, а будущие наблюдения с помощью Чрезвычайно большого телескопа Европейской южной обсерватории должны помочь восстановить ее движение в трех измерениях.
Исследователи рассчитывают, что эти данные позволят определить вращение центральной черной дыры Млечного Пути в течение следующего десятилетия.
Кроме того, в центре Галактики могут находиться и другие звезды с похожими экстремальными орбитами. Их обнаружение сделало бы измерения еще точнее.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
