How did scientists find a star this close to the galactic centre?

The ESO's GRAVITY+ interferometer combines light from four 8-metre telescopes at Paranal, giving enough resolution to distinguish individual stars near Sagittarius A*. Tracking S301's position over multiple years allowed the team to reconstruct its full orbit.

What is frame-dragging and why does it matter for S301?

A rotating mass drags spacetime around itself — the stronger the spin, the more pronounced the effect. S301 orbits close enough that this drag should visibly alter its orbital precession over years, giving a direct measurement of Sagittarius A*'s angular momentum.

How does S301 compare to other S stars near Sgr A*?

The best-studied S star, S2, reaches a closest approach of about 100 astronomical units every 16 years at around 7,650 km/s. S301 passes eight times closer, completes an orbit in 8.7 years, and moves at 25,000 km/s — three times faster at pericenter.

When will scientists actually measure the spin of Sagittarius A*?

The lead author estimates a 10-year window. The frame-dragging precession of S301's orbital plane needs to accumulate across several orbital periods before it becomes detectable with GRAVITY+. The measurement is a future result, not yet achieved.

S301 обращается вокруг Стрельца А* на 8% скорости света и измерит его вращение

Вокруг центральной черной дыры Млечного Пути обращается нечто настолько быстро и так близко, что физика вращающихся объектов — не только массивных — наконец становится проверяемой. S301, идентифицированная командой из Института внеземной физики Общества Макса Планка с использованием интерферометра VLTI Европейской южной обсерватории, проходит в пределах 1,78 миллиарда километров от Стрельца A* — расстояние, сравнимое с промежутком между Солнцем и Сатурном. При этом она движется со скоростью примерно 25 000 км/с, или 8% от скорости света. Ни одна другая звезда, отслеживаемая в этой области галактики, не двигалась так быстро и не подходила так близко.

Что отличает S301 от других быстрых звезд вблизи галактического центра — не только скорость, а следствие. На таком расстоянии общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что вращающаяся черная дыра увлекает за собой окружающее пространство-время — эффект, называемый увлечением инерциальных систем отсчета или эффектом Лензе-Тирринга. Поскольку S301 проходит так глубоко в эту область, ее орбита должна нести измеримые отпечатки того, как быстро вращается Стрелец A*. Ранее это было недостижимо ни для одной известной звезды.

«С помощью этой звезды мы надеемся в течение следующих 10 лет измерить спин черной дыры», — сказал Феликс Манг (Felix Mang), ведущий автор исследования и научный сотрудник Института внеземной физики Общества Макса Планка. Прямых измерений вращения Стрельца A* на данный момент не существует. S301 может дать такое измерение.

Другой класс S-звезд

Стрелец A* окружен скоплением быстрых звезд, называемых S-звездами, каталогизированных за три десятилетия и используемых для картирования гравитационного влияния черной дыры. Самая известная из них, S2, предоставила первые прямые доказательства того, что Стрелец A* имеет массу в четыре миллиона солнечных масс — работа, принесшая Райнхарду Генцелю (Reinhard Genzel) и Андреа Гез (Andrea Ghez) Нобелевскую премию по физике 2020 года. S2 достигает около 7 650 км/с в точке максимального сближения, примерно 2,5% скорости света, на 16-летней орбите.

S301 совершает полный оборот за 8,7 года — менее чем за половину времени — и в точке максимального сближения движется в три раза быстрее, чем S2 в своем перицентре. Более того, она проходит примерно в 12 астрономических единицах от Стрельца A*, примерно в восемь раз ближе, чем любая ранее известная S-звезда. На таком расстоянии релятивистские эффекты не просто существуют; они накапливаются на орбите со скоростью, которую инструменты в Паранале могут отслеживать год за годом.

Открытие было сделано с помощью GRAVITY+ — модернизированной версии оригинального интерферометра GRAVITY в обсерватории Параналь ESO в Чили. GRAVITY+ объединяет свет от четырех 8,2-метровых телескопов, достигая углового разрешения, необходимого для различения отдельных звезд в плотном, запыленном звездном скоплении вокруг галактического центра. Отслеживая положение S301 в течение нескольких эпох наблюдений, команда восстановила ее полную орбиту с достаточной точностью, чтобы установить расстояние перицентра и пиковую скорость.

Почему спин важен

Масса Стрельца A* известна уже много лет. Но масса — лишь одно из двух фундаментальных свойств, которые может иметь черная дыра, наряду с электрическим зарядом — который, как ожидается, астрофизические черные дыры быстро теряют в реальных условиях. Оставшееся свойство — спин. Согласно решению Керра уравнений поля Эйнштейна, вращающаяся черная дыра обладает моментом импульса, и это вращение формирует геометрию пространства-времени вокруг нее способами, выходящими за рамки того, что создает одна лишь масса.

То, как быстро вращается Стрелец A* и в каком направлении, определяет структуру его горизонта событий и орбиты всего, что находится поблизости. Текущие оценки косвенными методами — моделирование излучения аккреционного диска, наблюдаемого на изображении Event Horizon Telescope 2022 года — предполагают, что он, вероятно, вращается с умеренной скоростью, но неопределенности остаются достаточно большими, чтобы охватить большую часть допустимого диапазона. Измерение на основе орбитальной прецессии S301 станет первым прямым определением.

Эффект Лензе-Тирринга заставляет плоскость орбиты звезды вокруг вращающегося тела прецессировать — медленно вращаться — со скоростью, пропорциональной параметру спина черной дыры. Для S301 команда рассчитывает, что эта прецессия накопится до обнаружимого уровня в течение ближайших лет наблюдений с помощью GRAVITY+.

Что данные пока не проясняют

Действует несколько важных ограничений. Орбита S301 — ее скорость, период и расстояние перицентра — теперь хорошо установлена. Прецессия из-за увлечения инерциальных систем еще не обнаружена; это будущее измерение, требующее наблюдения за звездой в течение еще нескольких проходов вокруг Стрельца A*.

Галактический центр также астрофизически шумный. Распределение звезд, газа и темной материи в этой области создает ньютоновские гравитационные возмущения, которые могут смещать орбиту таким образом, что имитируют релятивистскую прецессию. Выделение сигнала Лензе-Тирринга требует моделирования и вычитания этих вкладов, что добавляет сложности и неопределенности к итоговому измерению.

Наконец, само открытие S301 является стимулом для более тщательных поисков. Внутреннее звездное скопление вокруг Стрельца A* сильно затенено пылью, и GRAVITY+ может проникнуть лишь на определенное расстояние. Остается возможность, что дополнительные звезды обращаются еще ближе, с орбитальными сигнатурами, содержащими более сильные или иные релятивистские отпечатки.

Часто задаваемые вопросы о S301 и Стрельце A*

Как ученые обнаружили звезду так близко к галактическому центру? Инструмент GRAVITY+ интерферометра Very Large Telescope объединяет свет от четырех 8-метровых телескопов для достижения разрешения, необходимого для различения отдельных звезд в плотном скоплении вокруг Стрельца A*. Отслеживая крошечные смещения положения в течение нескольких лет, команда восстановила полную орбиту S301.

Что такое увлечение инерциальных систем и почему это важно? Вращающаяся масса увлекает за собой ткань пространства-времени — чем быстрее вращение, тем сильнее увлечение. Вблизи вращающейся черной дыры это изменяет орбитальные пути близлежащих объектов в зависимости от величины и направления вращения. Измерение этого эффекта по орбите звезды дает прямое считывание момента импульса черной дыры — то, чего не удалось достичь ни одним другим текущим методом для Стрельца A*.

Как S301 сравнивается с другими S-звездами вблизи Стрельца A*? S2, самая изученная S-звезда, достигает максимального сближения примерно на 100 астрономических единиц за 16-летний цикл. S301 подходит в восемь раз ближе, за 8,7 года, с втрое большей скоростью в перицентре. Такое сочетание близости и короткого периода делает ее уникально чувствительной к увлечению инерциальных систем.

Изменит ли это то, что мы знаем о черной дыре Млечного Пути? Спин Стрельца A* в настоящее время не ограничен прямыми измерениями. Его определение завершило бы базовое физическое описание центральной черной дыры нашей галактики и открыло бы тесты общей теории относительности в сильном поле и вращающейся среде, которую ранее не достигали звездные орбиты.

Наблюдения с помощью GRAVITY+ продолжатся в течение нескольких орбитальных периодов S301. Команда ожидает, что прецессия из-за увлечения инерциальных систем достигнет обнаружимых уровней примерно в течение десятилетия — срок достаточно короткий, чтобы те же инструменты и команда, которые обнаружили S301, вероятно, сами проведут измерение спина.

Ссылка: Mang et al., «S301: a new S star orbiting close to Sagittarius A*,» Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10894-w

Теги: black holes, Sagittarius A*, ESO, frame-dragging, GRAVITY+, S301