S301 memecahkan rekod orbit mengelilingi lubang hitam pusat Bima Sakti

S301 ialah bintang paling hampir dan paling pantas diketahui yang mengorbit Sagittarius A*, lubang hitam supermasif di pusat galaksi Bima Sakti. Pada titik paling hampir dengan lubang hitam itu, S301 boleh mencapai kelajuan kira-kira 25,000 kilometer sesaat—lebih 8% daripada kelajuan cahaya—dalam orbit elips yang amat lonjong selama 8.7 tahun.

Lintasan terdekatnya yang dijangka berlaku sekitar 2031 akan memberi peluang penting untuk mengkaji kesan relativiti dan, berkemungkinan, mengukur putaran Sagittarius A*. Namun, S301 sahaja mungkin tidak mencukupi untuk mengukur momen kuadrupol lubang hitam atau menguji teorem tanpa rambut secara tegas.

Apa yang ditemui tentang S301?

• S301 ialah bintang malap daripada jujukan utama, dengan magnitud jalur-K sekitar 19.3. Ia mempunyai orbit dengan kesipian kira-kira 0.982–0.983 dan tempoh orbit 8.7 tahun.

• Pada periastron, iaitu titik paling hampir dengan Sagittarius A*, S301 berada kira-kira 280 jejari graviti daripada lubang hitam itu—lebih sedikit daripada 12 unit astronomi (AU). Jarak ini hampir sama dengan jarak antara Matahari dengan Zuhal dan kira-kira 10 kali lebih dekat berbanding titik terdekat bintang S2.

• Dengan kelajuan puncak sekitar 25,000 kilometer sesaat, S301 kini merupakan bintang terpantas yang diketahui di Bima Sakti.

• Orbitnya yang “seakan jarum” sangat memanjang: S301 menghabiskan sebahagian besar masanya jauh dari Sagittarius A*, kemudian meluru melalui kawasan graviti kuat untuk tempoh singkat ketika menghampiri periastron. Di kawasan inilah kesan relativiti paling ketara.

Bagaimana S301 dikesan dan disahkan?

Pasukan penyelidik mengesan S301 menggunakan interferometer inframerah dekat GRAVITY pada Very Large Telescope Interferometer (VLTI) milik Balai Cerap Selatan Eropah (ESO). Pengesanan itu mencabar kerana S301 sangat malap dan berada dalam medan pusat galaksi yang padat serta terang.

Kedudukan S301 di langit kemudian dijejaki melalui data GRAVITY dari 2023 hingga 2025. Berdasarkan ukuran astrometri—ukuran kedudukan dan gerakan objek dengan sangat tepat—penyelidik membina model awal orbitnya.

Mereka kemudiannya menggunakan model itu untuk meramalkan kedudukan S301 pada data arkib dari 2021 dan 2017. Sumber malap tersebut berjaya dikenal pasti semula di lokasi yang diramalkan. Kejayaan membuat ramalan secara retrospektif ini memberikan pengesahan penting bahawa objek itu benar-benar mengikuti orbit yang dicadangkan.

Bagaimanapun, pemerhatian spektroskopi setakat ini belum menghasilkan ukuran terus halaju jejari S301—iaitu pergerakannya menghampiri atau menjauhi Bumi. Oleh itu, penyelesaian orbit semasa banyak bergantung pada ukuran kedudukan di langit. Spektroskopi menggunakan teleskop amat besar pada masa depan dijangka membantu melengkapkan gambaran orbit tiga dimensinya.

Mengapa orbit ini boleh mendedahkan putaran Sagittarius A*?

Menurut relativiti am Einstein, lubang hitam yang berputar boleh menyeret ruang-masa di sekelilingnya. Kesan ini dikenali sebagai seretan bingkai Lense–Thirring. Ia boleh menyebabkan satah orbit dan nod—titik tempat orbit itu memotong satah rujukan—berpusing atau mengalami prasesi secara perlahan.

Oleh sebab S301 menghampiri Sagittarius A* lebih dekat berbanding bintang-bintang yang diketahui sebelum ini, perubahan kecil pada orbitnya akibat seretan bingkai mungkin dapat dikesan menggunakan interferometri inframerah berketepatan tinggi masa kini serta pemerhatian spektroskopi pada masa depan. Ukuran itu boleh membantu menentukan magnitud dan arah putaran lubang hitam.

Penemuan ini akan meluaskan ujian di pusat Bima Sakti. Pemerhatian terhadap S2 sebelum ini telah mengesan prasesi Schwarzschild, iaitu perubahan orbit yang didorong terutamanya oleh jisim lubang hitam. S301 pula berpotensi menguji kesan yang berkaitan dengan putaran lubang hitam—ciri penting dalam gambaran lubang hitam berputar, atau metrik Kerr, yang diramalkan oleh relativiti am Einstein.

Apa yang mungkin diketahui pada 2031?

Pemerhatian astrometri dan spektroskopi yang lebih padat ketika S301 menghampiri periastron sekitar 2031 akan memberikan peluang terbaik untuk mengukur perubahan orbit relativistiknya. Jika ketepatan data mencukupi, saintis mungkin dapat membuat ukuran terus putaran Sagittarius A* melalui prasesi nod Lense–Thirring.

Namun, momen kuadrupol lubang hitam ialah sasaran yang jauh lebih sukar. Isyarat kuadrupol yang berkaitan dengan putaran bagi S301 dianggarkan hanya sekitar 4% daripada kesan Lense–Thirring dan dianggap boleh diabaikan untuk orbit ini.

Ini bermakna belum ada bukti mencukupi untuk mendakwa bahawa lintasan S301 pada 2031 sahaja akan menguji teorem tanpa rambut. Teorem tersebut menyatakan bahawa lubang hitam astrofizik boleh dihuraikan sepenuhnya melalui jisim dan putarannya; momen kuadrupolnya sepatutnya mempunyai nilai yang ditentukan oleh dua sifat itu.

Untuk menguji perkara tersebut, penyelidik mungkin memerlukan bintang yang menghampiri Sagittarius A* dengan lebih dekat, beberapa orbit bintang yang sesuai, atau kaedah pemerhatian lain. Jadi, S301 mungkin menjadi alat penting untuk mengukur putaran lubang hitam—tetapi ia belum merupakan ujian muktamad terhadap teorem tanpa rambut.