В екстремната среда в сърцето на Млечния път се случват наистина необикновени неща.

И под „необикновени“ имаме предвид явления, които звучат почти немислимо.

Там се спотайва свръхмасивната черна дупка Стрелец A*, чиято маса е приблизително 4,3 милиона пъти по-голяма от тази на Слънцето.

Макар че по стандартите на свръхмасивните черни дупки това е сравнително скромна стойност, мощното гравитационно поле в непосредствена близост до нея кара околните звезди да се държат по изумителен начин.

Сега астрономите откриха обект, който оставя всички останали далеч зад себе си – включително предишния рекордьор сред най-бързите звезди в Млечния път.

S301 достига 8,5% от скоростта на светлината

Звездата, наречена S301, е описана в нова научна статия, публикувана в списание Nature. Тя обикаля около Стрелец A* по изключително издължена орбита, която изминава за 8,7 години.

При най-близкото си преминаване край черната дупка S301 развива максимална скорост от над 25 000 километра (15 534 мили) в секунда. В този момент разстоянието между звездата и Стрелец A* е приблизително колкото това между Сатурн и Слънцето.

Това са внушителните 8,5% от скоростта на светлината. Нещо повече – звездата се приближава достатъчно до черната дупка, за да позволи извършването на измервания, които могат да разкрият някои от трудно доловимите свойства на самата Стрелец A*. Първата цел е да бъде определено нейното въртене, а впоследствие учените ще проверят и дали тя се подчинява на прочутата теорема, според която черните дупки „нямат косми“.

„Галактическият център е като отдалечена лаборатория, а звездите играят ролята на измервателни сонди“, казва астрофизикът Феликс Манг от германския Институт за извънземна физика „Макс Планк“. Той е член на колаборацията GRAVITY+, анализирала звездата.

„При една и съща точност качеството на измерванията ни зависи от това колко близо до Стрелец A* се приближава наблюдаваната звезда. Наистина е вълнуващо, че вече разполагаме с нещо като сонда, с която можем да изследваме кривината на пространство-времето около тази въртяща се масивна черна дупка.“

Звездите разкриват свойствата на невидимата черна дупка

Черната дупка в центъра на Млечния път не е лесна за изучаване. Тъй като черните дупки не излъчват светлина, която можем да засечем, най-добрият начин да ги изследваме е да наблюдаваме поведението на материята около тях.

А в околностите на Стрелец A* определено има какво да се наблюдава. Черната дупка е заобиколена от множество звезди, които се движат около нея по затворени елиптични орбити. Учените отдавна използват тези звезди, за да измерват свойствата на Стрелец A* и да проверяват Общата теория на относителността в една от най-екстремните среди, които можем да наблюдаваме.

Особено ценна в това отношение е звездата S2.

Тя обикаля около черната дупка за 16 години. През 2018 г. S2 се приближи на едва 17 светлинни часа от галактическия център, което позволи на астрономите да измерят гравитационното червено отместване и Шварцшилдовата прецесия – ефекти, породени от огромната маса на Стрелец A*.

S301 обаче извежда това главозамайващо пътешествие около черната дупка на съвсем ново равнище.

Силно издължената ѝ орбита я отвежда приблизително десет пъти по-близо до Стрелец A*, отколкото се приближава S2. Така звездата навлиза значително по-дълбоко в гравитационния кладенец на черната дупка. Подобно на вагонче, което се спуска по стръмен участък на влакче в увеселителен парк, тя ускорява до невероятната си максимална скорост, преди отново да се отдалечи.

И както при влакчето в увеселителен парк, интересна е не само достигнатата скорост, но и всичко, което се случва по пътя.

Черната дупка увлича пространство-времето около себе си

В точката на най-голямо сближаване, наречена перицентър, S301 се намира достатъчно близо до Стрелец A*, за да премине през област, в която въртящата се черна дупка увлича със себе си самата тъкан на пространство-времето – подобно на вилица, която се завърта в купа със спагети.

Това явление е известно като увличане на инерциалните системи, или ефект на Лензе–Тиринг.

Това увличане би трябвало съвсем леко да промени орбитата на S301. Учените могат с голяма точност да изчислят как би изглеждала траекторията ѝ без ефекта на Лензе–Тиринг. Сравнявайки теоретичната орбита с реалната, те ще могат да проследят отклоненията и въз основа на тях да изчислят въртенето на Стрелец A*.

Това може да ни доближи до възможността да проверим теоремата за липсата на „косми“. Според нея при практически незаредена черна дупка, щом знаем нейната маса и въртене, всички останали характеристики на гравитационното ѝ поле би трябвало да могат да бъдат предсказани само въз основа на тези две свойства.

„Нашата група вече измери масата на Стрелец A* с точност до под един процент“, казва Манг.

„Определянето на въртенето ще бъде следващата стъпка към доказването на теоремата за липсата на косми. При това става дума за въртенето на масивна черна дупка – нещо, което досега не е правено.“

Самото измерване на въртенето няма да е достатъчно, за да даде окончателен отговор. Ако обаче бъдат натрупани достатъчно наблюдения, орбитата на S301 може впоследствие да разкрие и друга характеристика на гравитационното поле на Стрелец A*, известна като квадруполен момент.

Общата теория на относителността предсказва точно каква трябва да бъде неговата стойност въз основа на масата и въртенето на черната дупка. Ако резултатите от наблюденията съвпаднат с прогнозата, Стрелец A* ще е преминала едно изключително сериозно изпитание на теоремата за липсата на косми.

Възможно ли е S301 да е била част от двойна звездна система?

S301 вероятно крие и друга необикновена история.

Изключително издължената ѝ орбита подсказва, че някога звездата може да е била част от двойна звездна система в близост до Стрелец A*, която се е доближила прекалено много до черната дупка.

При процес, известен като механизъм на Хилс, черната дупка може да раздели подобна двойка, като улови едната звезда в тясна орбита около себе си, а другата изхвърли с огромна скорост. Астрономите вече са наблюдавали как свръхмасивна черна дупка изстрелва звезда извън Млечния път с рекордна скорост.

Подобен сценарий би могъл да обясни как S301 се е озовала на сегашната си екстремна траектория. Само особеностите на нейната орбита обаче не са достатъчни, за да потвърдят тази хипотеза.

Много по-убедително доказателство би било откриването на отдавна изгубената ѝ бивша спътница, която се отдалечава с огромна скорост от галактическия център.

Следващото критично сближаване ще бъде през 2031 г.

Тъй като орбиталният период на S301 е сравнително кратък, няма да се наложи да чакаме твърде дълго. Звездата отново ще достигне своя перицентър към края на 2031 г., когато влиянието на въртенето на черната дупка върху нейната орбита ще бъде най-силно.

Колаборацията GRAVITY+ ще продължи да проследява S301, а бъдещият инструмент MICADO на Изключително големия телескоп на Европейската южна обсерватория би трябвало да помогне на астрономите да възстановят движението ѝ в три измерения.

В съчетание тези наблюдения могат да позволят на екипа да определи въртенето на Стрелец A* в рамките на следващото десетилетие.

А в най-дълбоките части на сърцето на Млечния път може да се крият и още подобни съкровища.

„Очакваме в галактическия център да има още звезди като S301. Ако открием друга подобна звезда, това допълнително ще улесни измерването на въртенето“, казва Манг.

„Тогава силата на сигнала вече няма да зависи единствено от относителното разположение на оста на въртене на черната дупка и орбитата на S301.“

Откритието е публикувано в научното списание Nature.