amely elárulja a Tejútrendszer közepén lévő fekete lyuk forgási sebességét.
A Tejútrendszer középpontjában található Sagittarius A* környezetében a csillagászok felfedeztek egy csillagot, amely minden eddig ismert társánál közelebb kerül a szupernagy tömegű fekete lyukhoz. Az S301 jelű csillag pályája annyira szűk és elnyúlt, hogy mozgásában néhány éven belül kimutathatóvá válhat a fekete lyuk forgásának hatása. Ha a mérések sikerrel járnak, ez lehet az első alkalom, amikor a Sagittarius A* forgási sebességét és forgástengelyének irányát egy körülötte keringő csillag pályájából közvetlenül határozzák meg.
A Sagittarius A* tömege körülbelül 4,3 milliószorosa a Napénak, és mintegy 27 000 fényévre található tőlünk. Bár maga a fekete lyuk nem bocsát ki fényt, közvetlen környezetében több száz csillag kering. Ezek az úgynevezett S-csillagok természetes mérőszondaként haladnak át a rendkívül meggörbült téridőn. Pályáik alakjából meghatározható a központi objektum tömege, ellenőrizhetők Einstein általános relativitáselméletének előrejelzései, most pedig lehetőség nyílhat a fekete lyuk forgásának megmérésére is.
Az S301 8,7 év alatt kerüli meg a Sagittarius A*-ot, ezzel megdöntötte a galaktikus központ ismert csillagainak keringési rekordját. Pályája rendkívül elnyúlt: excentricitása körülbelül 0,98, ezért idejének jelentős részét viszonylag távol tölti a fekete lyuktól, majd a közelpont környékén szinte belezuhan annak gravitációs terébe. Legkisebb távolsága körülbelül 12 csillagászati egység, vagyis valamivel nagyobb, mint a Szaturnusz átlagos távolsága a Naptól. Ez a Sagittarius A* Schwarzschild-sugarának mindössze 136–142-szerese, és körülbelül tízszer kisebb távolság annál, ameddig az eddig legtöbbet vizsgált S2 csillag megközelíti a fekete lyukat.
A közelpontban az S301 sebessége eléri a 25 000–25 600 km/s értéket, vagyis a fénysebesség több mint nyolc százalékát. A csillag ennek ellenére nincs közvetlen veszélyben: feltehetően egy nagyjából másfélszeres naptömegű, F színképtípusú fősorozati csillag, amely elég kicsi és sűrű ahhoz, hogy a fekete lyuk árapályereje ne tépje szét. Egy felfúvódott óriáscsillag ezen a pályán már elveszíthetné külső rétegeinek egy részét.
Az S301 pályája nem zárt ellipszis. A fekete lyuk közelében a téridő görbülete miatt minden keringés során elfordul, így hosszú idő alatt rozettához hasonló alakzatot rajzol. Ezt Schwarzschild-precessziónak nevezik, és nem szükséges hozzá a fekete lyuk forgása. Ugyanezt a jelenséget korábban az S2 pályáján is sikerült kimutatni, az S301 esetében azonban a hatás sokkal erősebb: a pálya közelpontja minden egyes keringés alatt körülbelül 1,9–2 fokkal fordul el. A csillag pályaellipszise így nagyjából 1600 év alatt tesz meg egy teljes fordulatot a saját síkjában.
A fekete lyuk forgása ehhez egy jóval kisebb, de mérhető eltérést adhat hozzá. Az általános relativitáselmélet szerint egy forgó tömeg magával sodorja a körülötte lévő téridőt. Ezt Lense–Thirring-hatásnak, illetve téridő-vonszolásnak nevezik. A jelenség a Föld körül is létezik, és a Gravity Probe B műhold mérései már igazolták, de egy több millió naptömegű, gyorsan forgó fekete lyuk közelében sokkal erőteljesebb.
A hatás nem úgy képzelendő el, hogy a fekete lyuk valamiféle anyagi örvényt hoz létre. Maga a tér és az idő geometriája csavarodik el körülötte. Az S301 ezen az eltorzított téridőn halad keresztül, ezért pályájának iránya és síkja minden közeli elhaladáskor parányit megváltozik. Maximális forgású Sagittarius A* esetében a Lense–Thirring-hatás a pálya közelpontját keringésenként nagyjából további 0,11 fokkal mozdíthatná el, bár a tényleges érték a forgás sebességétől és a fekete lyuk forgástengelyének irányától is függ.
Ez a többlet körülbelül egytizede az S301 Schwarzschild-precessziójának. Csillagászati léptékben rendkívül kicsi eltérésről van szó: több év alatt a forgó és a nem forgó fekete lyukra számított csillagpozíciók közötti különbség nagyjából a Föld Nap körüli pályájának méretével lehet összevethető. A galaktikus központ távolságából ez egészen parányi szögnek felel meg, ám a chilei Nagyon Nagy Távcső Interferométerének GRAVITY műszere már tíz mikroívmásodpercekben mérhető pontosságot ér el.
Az S301-et 2023 tavaszán azonosították a Sagittarius A*-tól mindössze 15 ezred ívmásodpercre. A kutatók ezután 2024-ben és 2025-ben is követték, majd a kiszámított pálya alapján korábbi, 2017-es és 2021-es felvételeken is megtalálták halvány nyomát. Összesen 19 helyzetmérésből sikerült meghatározni a pályáját. A csillag olyan halvány, hogy közvetlen színképi mérése eddig nem sikerült, ezért radiális sebessége még ismeretlen. Emiatt jelenleg két, egymás tükörképének tekinthető térbeli pályamegoldás lehetséges.
A csillag legutóbb 2023 elején haladt át pályája közelpontján, a következő ilyen találkozás 2031 második felében várható. Addigra várhatóan működésbe lép az Európai Déli Obszervatórium 39 méteres Rendkívül Nagy Távcsöve, az ELT is. Ennek MICADO műszere már képes lehet meghatározni az S301 színképét és látóirányú sebességét. A GRAVITY, annak továbbfejlesztései és az ELT közös adatsora alapján a kutatók szerint a 2030-as évek közepére reális esély nyílhat a Sagittarius A* dimenzió nélküli forgási paraméterének meghatározására. A szimulációk kedvező esetben 0,2-nél kisebb bizonytalanságot és a forgástengely irányának körülbelül 30 fokos pontosságú mérését jelzik.
A mérés a fekete lyuk történetéről is árulkodna. Egy szupernagy tömegű fekete lyuk forgását a korábban elnyelt gáz, csillagok és kisebb fekete lyukak perdülete alakítja. A gyors, rendezett anyagbefogás felpörgetheti, míg a különböző irányokból érkező anyag vagy több összeolvadás részben kiolthatja a forgást. A Sagittarius A* spinje ezért a Tejútrendszer magjának fejlődéséről őrizhet információt.
A forgás a relativisztikus plazmanyalábok keletkezésének megértéséhez is fontos lehet. Az M87 galaxis központi fekete lyuka több ezer fényév hosszú anyagsugarat táplál, a Sagittarius A* mellett azonban nem látunk hasonló, erőteljes nyalábot. Ha kiderülne, hogy a Tejútrendszer fekete lyuka ennek ellenére gyorsan forog, az azt jelezné, hogy önmagában a spin nem elegendő egy nagy jet létrehozásához: ehhez megfelelő mágneses térre és kellő mennyiségű beáramló anyagra is szükség van.
Az S301 eredete külön történetet rejt. Szélsőségesen elnyúlt pályája arra utal, hogy valaha egy szoros kettőscsillag tagja lehetett. Amikor a kettős túl közel került a Sagittarius A*-hoz, a fekete lyuk árapályereje szétválasztotta a két csillagot. Az egyik nagy sebességgel kirepülhetett a galaktikus központból, míg az S301 a fekete lyuk körüli szűk pályán maradt. Ezt Hills-mechanizmusnak nevezik, és ez magyarázhatja a Tejútrendszer egyes hipersebességű csillagainak eredetét is.
Az S301 egy természetes óraként és gravitációs szondaként halad át a Sagittarius A* legerősebben eltorzított, még csillagokkal vizsgálható környezetén. A következő évtized megfigyelései megmutathatják, milyen gyorsan forog galaxisunk központi fekete lyuka, merre mutat a forgástengelye, és valóban úgy csavarja-e maga körül a téridőt, ahogyan azt Einstein elmélete egy forgó, úgynevezett Kerr-fekete lyuk esetében előírja.
Források: Nature – the original GRAVITY and research, Sky & Telescope
