ดาว S301 ดาวฤกษ์ที่เร็วที่สุดใกล้ Sagittarius A* อาจช่วยวัดการหมุนของหลุมดำ

เมื่อ S301 ตกเข้าหาหลุมดำ แรงโน้มถ่วงจะเร่งความเร็วของมันอย่างมาก ความเร็วสูงสุดที่คาดไว้ทำให้ S301 เป็นดาวฤกษ์ที่เร็วที่สุดเท่าที่มีการสังเกตในทางช้างเผือก และเป็น “ยานสำรวจธรรมชาติ” ที่เข้าใกล้ Sgr A* มากที่สุดเท่าที่เคยพบ

S301 ยังมีความสว่างต่ำมาก โดยมีค่าแมกนิจูดในย่าน K ประมาณ 19.3 นักวิจัยจัดให้มันน่าจะเป็นดาวฤกษ์ลำดับหลัก แต่ความสว่างที่ริบหรี่ทำให้การระบุคุณสมบัติของดาวอย่างแม่นยำเป็นเรื่องยาก

นักดาราศาสตร์ค้นพบ S301 ได้อย่างไร

ทีม GRAVITY ตรวจพบ S301 ครั้งแรกในฤดูใบไม้ผลิปี 2023 ด้วยเครื่องมือ GRAVITY ซึ่งติดตั้งอยู่บนระบบอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Very Large Telescope Interferometer หรือ VLTI ของหอดูดาวยุโรปซีกใต้ (ESO) ดาวดวงนี้ปรากฏอยู่ห่างจาก Sgr A* ไปทางตะวันตกเฉียงเหนือประมาณ 15 มิลลิพาร์เซกเชิงมุม (milliarcseconds) ก่อนเคลื่อนออกไปด้านนอกและปรากฏการเคลื่อนที่ที่รวดเร็วและโค้งเล็กน้อยตลอดการสังเกตในปีนั้น

หลังจากใช้ข้อมูลดังกล่าวประเมินวงโคจรของ S301 แล้ว นักวิจัยจึงคำนวณย้อนกลับว่าดาวควรปรากฏอยู่บริเวณใดในช่วงเวลาก่อนหน้า จากนั้นจึงพบร่องรอยของมันในข้อมูล GRAVITY ที่เก็บถาวรจากปี 2021 และต่อมาจากปี 2017 การมีข้อมูลย้อนหลังช่วยยืดช่วงเวลาการสังเกตและสนับสนุนการตีความว่าเป็นวงโคจรของดาวจริง

แต่รูปแบบวงโคจรที่เผยแพร่ในขณะนี้ยังเป็นข้อมูลเบื้องต้น โดยเฉพาะนักวิจัยยังไม่มีการวัดความเร็วในแนวรัศมีของ S301 ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญสำหรับระบุการเคลื่อนที่สามมิติและปรับค่าพารามิเตอร์วงโคจรให้แม่นยำยิ่งขึ้น

วงโคจรของ S301 อาจวัดการหมุนของหลุมดำได้อย่างไร

หลุมดำที่กำลังหมุนไม่ได้เพียงดึงดูดวัตถุรอบข้างด้วยแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โมเมนตัมเชิงมุมของหลุมดำสามารถ “ลาก” ปริภูมิ-เวลาโดยรอบให้หมุนตามไปด้วย ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การลากกรอบอ้างอิง (frame-dragging) หรือ การเคลื่อนคล้อยแบบเลนส์-เทอร์ริง (Lense–Thirring precession)

สำหรับดาวที่โคจรรอบหลุมดำ ผลดังกล่าวอาจค่อย ๆ เปลี่ยนทิศทางของระนาบวงโคจรได้ แต่ความแรงของปรากฏการณ์จะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะห่างเพิ่มขึ้น นั่นหมายความว่าเพอริเซนเตอร์ที่อยู่ใกล้มากของ S301 ทำให้มันไวต่อการหมุนของ Sgr A* มากกว่าดาวที่มีวงโคจรกว้างกว่า

หากนักดาราศาสตร์วัดตำแหน่งของ S301 ด้วยความแม่นยำสูงอย่างต่อเนื่อง พวกเขาอาจตรวจพบการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ที่สะสมขึ้นตามเวลา แล้วนำไปเปรียบเทียบกับการเคลื่อนคล้อยที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในกรณีที่ Sgr A* หมุนเร็ว กับกรณีที่หลุมดำไม่หมุน

อย่างไรก็ดี นี่ยังเป็นโอกาสสำหรับการตรวจวัดในอนาคต ไม่ใช่การค้นพบค่าการหมุนของหลุมดำแล้ว การติดตามดาวก่อนการเข้าใกล้ครั้งสำคัญที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในช่วงปลายปี 2031 และต่อเนื่องอีกราว 10 ปี อาจช่วยให้นักวิจัยแยกแยะได้ว่าการเปลี่ยนแปลงของวงโคจรสอดคล้องกับ Sgr A* ที่หมุนเร็วหรืออยู่นิ่ง

เป้าหมายระยะยาว: ทดสอบทฤษฎีบท “ไม่มีขน”

ในระยะยาว S301 อาจช่วยให้เกิดการทดสอบที่ท้าทายยิ่งกว่า นั่นคือการวัด โมเมนต์ควอดรูโพล (quadrupole moment) ของหลุมดำ ซึ่งอธิบายว่าการหมุนส่งผลต่อรูปร่างของสนามโน้มถ่วงอย่างไร นอกเหนือจากผลพื้นฐานจากมวลและการหมุน

ตามคำตอบแบบเคอร์ (Kerr solution) ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป คุณสมบัติที่สังเกตได้จากภายนอกของหลุมดำเดี่ยวควรถูกกำหนดโดยมวลและการหมุน ขณะที่ประจุไฟฟ้าคาดว่าจะมีค่าน้อยมากสำหรับหลุมดำทางดาราศาสตร์ การตรวจสอบความสัมพันธ์ที่ทฤษฎีคาดการณ์ไว้ระหว่างการหมุนกับโมเมนต์ควอดรูโพลจึงอาจเป็นการทดสอบสิ่งที่เรียกว่า “ทฤษฎีบทไม่มีขน” (no-hair theorem)

การวัดนี้ยากกว่าการตรวจจับการหมุนอย่างมาก เพราะสัญญาณจากควอดรูโพลมีขนาดเล็กกว่า และอาจปะปนกับการรบกวนทางแรงโน้มถ่วงจากดาวดวงอื่นหรือวัตถุหนาแน่นที่มองไม่เห็นใกล้ใจกลางกาแล็กซี ดังนั้น นักวิจัยจึงมองเป้าหมายนี้เป็นความเป็นไปได้ในระยะยาว ไม่ใช่ผลลัพธ์ที่รับประกันว่าจะทำได้

ขั้นตอนต่อไปของการวิจัย

สิ่งที่ต้องทำในทันทีคือการติดตาม S301 ต่อไปและปรับแบบจำลองวงโคจรให้ดีขึ้น การสังเกตเพิ่มเติมจะช่วยวัดการเคลื่อนที่ในแนวรัศมี ระบุเวลาและระยะห่างของเพอริเซนเตอร์ได้แม่นยำขึ้น รวมถึงแยกผลของสัมพัทธภาพออกจากความไม่แน่นอนที่เกิดจากสภาพแวดล้อมของดาวฤกษ์รอบใจกลางทางช้างเผือก

หากวงโคจรที่คาดการณ์ไว้ถูกต้อง S301 จะกลายเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับทดสอบว่าหลุมดำมวลยิ่งยวดหมุนอย่างไร และการหมุนนั้นเปลี่ยนแปลงปริภูมิ-เวลาโดยรอบอย่างไร ความเร็วระดับทำลายสถิติอาจเป็นพาดหัวข่าว แต่คุณค่าทางวิทยาศาสตร์ที่แท้จริงของ S301 คือการเปลี่ยนดาวฤกษ์แสงริบหรี่ที่เคลื่อนที่รวดเร็วให้กลายเป็นหัววัดความแม่นยำสูงของ Sagittarius A*