Najbrža poznata zvijezda mogla bi otkriti kako rotira ogromna crna rupa naše galaksije

Astronomi su otkrili zvijezdu koja se kreće brže od bilo koje druge poznate zvijezde u našoj galaksiji. Nazvana S301, prolazi toliko blizu supermasivne crne rupe u centru Mliječnog puta da je snažno gravitacijsko polje ubrzava do čak 25.000 kilometara u sekundi, odnosno više od osam posto brzine svjetlosti.

Otkriće bi moglo imati značaj koji nadilazi postavljanje novog brzinskog rekorda. Ranija posmatranja zvijezda koje kruže veoma blizu centra Mliječnog puta omogućila su istraživačima da identificiraju tamošnju crnu rupu i izmjere njenu masu. Dugotrajno praćenje S301 moglo bi pomoći u određivanju još jedne njene ključne osobine - rotacije. Astrofizičar Andrea Caputo iz CERN-a, koji nije učestvovao u istraživanju, objasnio je da su masa i rotacija dva ključna broja kada se govori o crnoj rupi. Masa je poznata već neko vrijeme, a S301 bi mogla pomoći naučnicima da utvrde i njenu rotaciju.

Eksperiment pao u zaboravNakon 39 godina vratili se zaboravljenom eksperimentu i zatekli nešto nevjerovatno

Jedan krug napravi za 8,7 godina

Tim predvođen Institutom Max Planck za vanzemaljsku fiziku, MPE, opisao je otkriće S301. Sama zvijezda nije neobična, ali se izdvaja po tome koliko se približava supermasivnoj crnoj rupi čija je masa 4,3 miliona puta veća od mase Sunca. Kada bi se ova crna rupa nalazila u centru Sunčevog sistema, njen horizont događaja, granica iza koje čak ni svjetlost ne može pobjeći, imao bi prečnik 17 puta veći od Sunčevog, piše science.org.

S301 ima veoma izduženu orbitu. Svakih 8,7 godina prolazi izuzetno blizu crne rupe. U zamišljenom poređenju sa Sunčevim sistemom, tada bi se nalazila tek nešto dalje od mjesta na kojem kruži Saturn. Upravo tokom tog približavanja dostiže ogromnu brzinu kojom bi Sunčev sistem mogla preći za svega nekoliko dana. Prethodni rekorder bila je zvijezda S2, koja prolazi približno deset puta dalje od crne rupe.

Astronomi MPE-a prate S2 još od 1990-ih u centru galaksije, području prepunom zvijezda i zaklonjenom prašinom. Tim MPE-a i istraživači sa Univerziteta Kalifornije u Los Angelesu pokazali su da se njena orbita može objasniti jedino postojanjem supermasivne crne rupe. Taj rad donio im je dio Nobelove nagrade za fiziku 2020. godine.

Kasnije je pokazano i da se svjetlost S2 pomjera prema crvenom dijelu spektra dok izlazi iz dubokog gravitacijskog polja crne rupe, što predstavlja jedno od predviđanja Einsteinove opće teorije relativnosti. Utvrđeno je i da se orbita S2 postepeno pomjera, odnosno da prolazi kroz fenomen poznat kao Schwarzschildova precesija, također predviđen općom relativnošću.

S301 otkrivena pomoću četiri velika teleskopa

Za pronalazak S301 naučnici su koristili Very Large Telescope Evropske južne opservatorije u Čileu, sistem sastavljen od četiri teleskopa sa ogledalima prečnika 8,2 metra. Instrumentom GRAVITY kombinirali su svjetlost prikupljenu sa sva četiri ogledala i tako dobili moć razlučivanja kakvu bi imao teleskop prečnika 200 metara. To im omogućava praćenje orbita zvijezda udaljenih oko 27.000 svjetlosnih godina.

Tim je S301 prvi put uočio početkom 2023. godine tokom jednog od mjesečnih posmatranja instrumentom GRAVITY, kazao je Stefan Gillessen iz MPE-a, jedan od vodećih autora istraživanja. Iako je S301 čak 100 puta slabijeg sjaja od S2, naredna posmatranja pokazala su da se velikom brzinom udaljava od crne rupe. Tokom 2024. njena putanja počela je zakrivljivati, a zvijezda je usporavala približavajući se najudaljenijoj tački svoje orbite.

Do kraja 2024. istraživači su imali približnu procjenu orbite, dok su krajem 2025. već bili prilično sigurni u rezultate. Pregledali su i arhivska posmatranja i pronašli S301 na snimcima iz 2021. i 2017. godine. Na taj način mapirali su većinu njene orbite koja traje 8,7 godina, a Gillessen navodi da podaci već jasno pokazuju Schwarzschildovu precesiju.

Zvijezda bi mogla otkriti kako rotira crna rupa

Naučnici sada žele izmjeriti još suptilniji efekt. Schwarzschildova precesija zavisi samo od mase crne rupe i polazi od pretpostavke da ona ne rotira. Astronomi, međutim, očekuju da sve crne rupe rotiraju. Posredni dokazi o njihovoj rotaciji dolaze iz gravitacijskih valova nastalih spajanjem crnih rupa, kao i mlazova materije koji izlaze iz pojedinih supermasivnih crnih rupa.

Prema općoj teoriji relativnosti, rotirajuća crna rupa za sobom na određeni način "povlači" okolni prostor-vrijeme. To bi trebalo izazvati dodatno, veoma malo pomjeranje orbite obližnje zvijezde, poznato kao Lense-Thirringova precesija. Ako izmjereno pomjeranje orbite S301 bude veće od vrijednosti koju predviđa Schwarzschildova precesija, taj višak mogao bi otkriti rotaciju crne rupe.

Efekt će biti veoma teško izmjeriti. Naučnici očekuju da će Schwarzschildova precesija pomjeriti orbitu S301 za približno 1,9 stepeni tokom svakog obilaska, dok bi Lense-Thirringova precesija mogla doprinijeti sa manje od 0,11 stepeni. Gillessen procjenjuje da će biti potrebno približno deset godina posmatranja kako bi se te vrijednosti dovoljno precizno odredile.

Misterija zvijezda u centru Mliječnog puta

S301 bi mogla ponuditi odgovore i na pitanje kako su ona, S2 i druge takozvane S-zvijezde dospjele tako blizu supermasivne crne rupe. Astronom Felix Mang iz MPE-a, također jedan od vodećih autora istraživanja, navodi da je njihovo porijeklo dugo predstavljalo misteriju jer je formiranje zvijezda u neposrednom okruženju tako masivne crne rupe nemoguće.

Jedno od mogućih objašnjenja poznato je kao Hillsov mehanizam. Prema toj ideji, predloženoj 1988. godine, ako se dvojni zvjezdani sistem previše približi crnoj rupi, njena gravitacija može razdvojiti dvije zvijezde. Jedna bi tada ostala zarobljena u uskoj orbiti oko crne rupe, dok bi druga bila izbačena toliko velikom brzinom da može napustiti galaksiju. Ipak, do sada nije pronađen odgovarajući par zvijezda koji bi potvrdio ovaj scenarij.

Astronomi su 2019. godine uočili hiperbrzu zvijezdu S5-HVS1 koja se od centra galaksije udaljava brzinom od 1.755 kilometara u sekundi. Kada su Caputo i Giovanni Tomaselli iz Institute for Advanced Study prošlog mjeseca vidjeli podatke o S301, odmah su počeli istraživati moguću vezu između nje i S5-HVS1. Do 24. jula objavili su preliminarni naučni rad u kojem navode da su orbitalna energija S301 i kinetička energija S5-HVS1 uporedive. Upravo bi se to očekivalo ako su dvije zvijezde nekada činile dvojni sistem koji je razdvojila supermasivna crna rupa. Za sada, međutim, dokazi nisu dovoljni za konačan zaključak.

Novi teleskop mogao bi dati odgovor

Najvažniji test mogućeg zajedničkog porijekla dvije zvijezde bit će spektroskopija, odnosno detaljna analiza njihove svjetlosti. Njome bi astronomi mogli utvrditi imaju li S301 i S5-HVS1 isti hemijski sastav. Tomaselli je objasnio da bi zastupljenost elemenata u obje zvijezde trebala biti jednaka ukoliko su nastale zajedno na istom mjestu. S301 je, međutim, toliko slabog sjaja da će za takvu spektroskopsku analizu vjerovatno biti potreban Extremely Large Telescope, nasljednik VLT-a koji bi trebao početi sa radom za nekoliko godina.

Caputo smatra da je moguće da su S-zvijezde prvobitno bile dio dvojnih zvjezdanih sistema. Precizna mjerenja S301 zato bi mogla pružiti nove informacije ne samo o najbržoj poznatoj zvijezdi u Mliječnom putu i rotaciji supermasivne crne rupe, nego i o porijeklu cijele populacije zvijezda koje kruže u njenoj neposrednoj blizini.