Nově objevená nejrychlejší hvězda Mléčné dráhy nabízí nový způsob, jak změřit rotaci naší domácí supermasivní černé díry

Astronomové objevili dosud nejrychlejší známou hvězdu obíhající kolem supermasivní černé díry v centru Mléčné dráhy. Hvězda s označením S301 byla objevena pomocí zařízení VLTI (Very Large Telescope Interferometer) Evropské jižní observatoře (ESO). Při oběhu kolem černé díry Sagittarius A* dosahuje rychlosti až 25 000 kilometrů za sekundu. Zároveň se k ní přibližuje blíže než kterákoli jiná dosud pozorovaná hvězda – tak blízko, že pociťuje i účinky rotace samotné černé díry.

„Tento průlomový objev je výsledkem desetiletí pečlivého sledování hvězd obíhajících kolem centrální černé díry naší Galaxie. Protože S301 obíhá v její bezprostřední blízkosti, nabízí nám jedinečnou možnost studovat základní vlastnosti časoprostoru v tomto extrémním prostředí,“ říká nositel Nobelovy ceny Reinhard Genzel, ředitel Max-Planckova institutu pro mimozemskou fyziku (MPE) v Garchingu v Německu a jeden ze zakládajících členů týmu, který nová pozorování provedl.

Hvězdný sprinter

Při svém nejbližším průletu kolem černé díry se S301 pohybuje rychlostí přibližně 25 000 kilometrů za sekundu. To je asi 100 000krát rychleji než komerční letadlo a odpovídá to více než 8 procentům rychlosti světla. S301 se tak stává rychlostní rekordmankou mezi známými hvězdami v Mléčné dráze.

Její oběžná dráha je přitom mimořádně těsná. S301 oběhne Sagittarius A* jednou za pouhých 8,7 roku a při největším přiblížení se dostává do bezprostřední blízkosti černé díry.

„Zvláštností této hvězdy je, že obíhá kolem Sagittarius A* po velmi těsné oběžné dráze. Její oběh trvá pouhých 8,7 roku a přibližuje se k černé díře na vzdálenost pouhých 12násobků vzdálenosti Země od Slunce,“ doplňuje Felix Mang, doktorand na MPE a autor studie zveřejněné v časopise Nature. To je přibližně vzdálenost mezi Sluncem a Saturnem.

Právě mimořádná blízkost S301 k Sagittarius A* z ní činí jedinečný nástroj pro studium černé díry. Jde totiž o první známou hvězdu, jejíž pohyb by mohl umožnit přímo změřit rotaci Sagittarius A*.

Stejně jako u většiny objektů ve vesmíru astronomové předpokládají, že Sagittarius A* rotuje. Podle Einsteinovy obecné teorie relativity s sebou rotující černá díra strhává okolní prostoročas a deformuje jej. To následně ovlivňuje oběžné dráhy hvězd, které se kolem ní pohybují. Tento efekt je výraznější u objektů obíhajících v malé vzdálenosti od rychle rotující černé díry.

„Díky objevu hvězdy S301 doufáme, že v příštích 10 letech změříme rotaci černé díry,“ říká Mang. Výzkumník z MPE Stefan Gillessen k tomu dodává: „Poprvé bychom tak byli schopni přímo změřit rotaci masivní černé díry, což by představovalo klíčový test Einsteinovy teorie.“

Sirotek dvojhvězdného systému?

Objev S301, která na obloze září dvoumiliardkrát slaběji než Betelgeuse, nebyl snadný. Vědci proto využili VLTI na observatoři ESO Paranal v Chile a jeho přístroj GRAVITY+.

Síla VLTI spočívá v jeho schopnosti kombinovat světlo ze čtyř osmimetrových dalekohledů a vytvořit tak „virtuální“ dalekohled s prostorovým rozlišením až patnáctkrát vyšším, než jakého dosahují jednotlivé zapojené dalekohledy.

„Paranal je celosvětově jediným místem, kde lze provádět tento typ pozorování, protože žádná jiná observatoř na světě nedisponuje čtyřmi osmimetrovými dalekohledy, které mohou společně fungovat jako interferometr,“ říká spoluautor studie Frank Eisenhauer, hlavní výzkumník projektu GRAVITY+ a ředitel MPE.

Díky projektu GRAVITY+ se vědcům podařilo novou hvězdu poprvé zachytit na jaře 2023 a od té doby ji sledují. Zároveň dokázali vysledovat oběžnou historii S301 až do roku 2017. Z těchto pozorování vyplynulo, že k centrální černé díře se naposledy nejvíce přiblížila na začátku roku 2023.

Oběžné vlastnosti S301 spolu se skutečností, že hvězdy se nemohou tvořit tak blízko masivní černé díry, naznačují, že S301 byla pravděpodobně součástí dvojhvězdného systému. Ten mohl být roztrhán slapovými silami Sagittarius A*. Při tomto procesu byla S301 zachycena gravitací černé díry, zatímco její průvodní hvězda byla vymrštěna vysokou rychlostí. Ta mohla být podle vědců dostatečná k tomu, aby dvojhvězdný partner Mléčnou dráhu zcela opustil.

Klíčová budou budoucí pozorování pomocí dalekohledu ELT (Extremely Large Telescope), která umožní sledovat dráhu S301 v příštím desetiletí. Její další těsný průlet kolem Sagittarius A* nastane v roce 2031.

Právě pozorování alespoň dvou úplných oběžných drah S301 by mělo vědcům umožnit určit její trajektorii s dostatečnou přesností. Pokud se to podaří, mohli by poprvé přímo určit rotaci Sagittarius A*.