S301: Bintang Terpantas di Bima Sakti Boleh Mengukur Putaran Lubang Hitam

S301 juga amat malap, dengan magnitud jalur-K sekitar 19.3. Penyelidik mengklasifikasikannya sebagai calon bintang jujukan utama, tetapi sifatnya yang samar menyukarkan pencirian yang lebih tepat.

Bagaimana S301 ditemui

Pasukan GRAVITY mengesan S301 pada musim bunga 2023 menggunakan instrumen GRAVITY pada Very Large Telescope Interferometer (VLTI) milik Balai Cerap Selatan Eropah. Ketika itu, bintang tersebut kelihatan kira-kira 15 milisaat lengkok di barat laut Sgr A*. Dalam pemerhatian sepanjang 2023, S301 bergerak menjauhi lubang hitam dengan pantas dan menunjukkan sedikit lengkungan pada laluannya.

Selepas menganggarkan orbit berdasarkan ukuran tersebut, penyelidik mengira lokasi S301 pada masa-masa sebelumnya dan menyemak data GRAVITY yang diarkibkan. Mereka berjaya mengenal pasti bintang itu dalam data 2021, kemudian menjejakinya lebih jauh hingga 2017. Tempoh pemerhatian yang lebih panjang ini menguatkan tafsiran bahawa S301 benar-benar berada dalam orbit ekstrem tersebut.

Walau bagaimanapun, orbit itu masih bersifat awal. Penyelidik belum memperoleh ukuran halaju jejarian S301 — iaitu pergerakan bintang menuju atau menjauhi kita. Pemerhatian masa hadapan diperlukan untuk memperincikan gerakan tiga dimensinya serta parameter orbitnya.

Mengapa orbit S301 boleh mengukur putaran lubang hitam

Lubang hitam yang berputar bukan sekadar menarik objek berhampiran melalui graviti. Menurut relativiti am, momentum sudutnya turut menyeret ruang-masa di sekelilingnya. Kesan ini dikenali sebagai seretan kerangka ruang-masa atau precesi Lense–Thirring.

Bagi bintang yang mengorbitnya, kesan tersebut boleh mengubah orientasi satah orbit secara beransur-ansur. Lebih dekat orbit itu dengan lubang hitam, lebih sensitif pergerakannya terhadap putaran lubang hitam. Oleh sebab perisentrum S301 begitu kecil, ia berpotensi memberikan isyarat putaran yang lebih jelas berbanding bintang-bintang yang mengorbit pada jarak lebih jauh.

Dengan mengukur kedudukan S301 secara berulang dan sangat tepat, ahli astronomi boleh mencari perubahan kecil yang terkumpul dari masa ke masa. Mereka kemudiannya boleh membandingkan perubahan itu dengan ramalan bagi Sgr A* yang berputar pantas dan ramalan bagi lubang hitam yang tidak berputar.

Penting untuk ditekankan bahawa ukuran ini belum dilakukan. Pemantauan astrometri berterusan sebelum pendekatan terdekat S301 yang dijangka pada penghujung 2031, serta kira-kira sedekad selepasnya, mungkin menentukan sama ada pergerakan orbit bintang itu selaras dengan Sgr A* yang berputar pantas atau hampir tidak berputar.

Ujian jangka panjang terhadap teorem tanpa rambut

Dalam jangka lebih panjang, S301 mungkin membantu menguji sesuatu yang lebih mencabar: momen kuadrupol lubang hitam. Secara ringkas, ukuran ini menggambarkan bagaimana putaran mempengaruhi bentuk medan graviti lubang hitam, melangkaui kesan asas yang disebabkan oleh jisim dan putaran.

Dalam penyelesaian Kerr bagi relativiti am, sifat luaran lubang hitam terpencil ditentukan oleh jisim dan putarannya. Cas elektrik dijangka boleh diabaikan bagi lubang hitam astrofizik. Menguji hubungan yang diramalkan antara putaran dengan momen kuadrupol itu akan menguji teorem yang dikenali sebagai teorem tanpa rambut.

Namun, ukuran momen kuadrupol jauh lebih sukar daripada mengesan kesan putaran. Isyaratnya lebih kecil dan boleh bercampur dengan gangguan graviti daripada bintang lain atau objek padat yang belum dikesan berhampiran pusat galaksi. Oleh itu, penyelidik menganggapnya sebagai matlamat jangka panjang yang berpotensi, bukan hasil yang pasti.

Apa yang akan berlaku seterusnya

Keutamaan terdekat adalah terus menjejaki S301 dan memperbaiki model orbitnya. Pemerhatian tambahan boleh membantu menentukan gerakan jejarian bintang, memperkemas masa serta jarak perisentrum, dan membezakan kesan relativiti daripada ketidakpastian dalam persekitaran bintang di pusat Bima Sakti.

Jika orbit yang diramalkan itu kekal tepat, S301 akan menjadi pengesan luar biasa untuk mengkaji bagaimana lubang hitam supermasif berputar dan bagaimana putaran itu mempengaruhi ruang-masa di sekelilingnya. Kelajuan rekodnya memang menjadi tajuk utama, tetapi nilai sebenar S301 terletak pada potensinya untuk menjadikan sebuah bintang malap yang bergerak pantas sebagai alat pengukur tepat bagi Sagittarius A*.