S301 ดาวฤกษ์ความเร็ว 25,000 กม./วินาที กับวงโคจรสุดรีรอบหลุมดำ Sagittarius A*

S301 เป็นดาวฤกษ์ลำดับหลักที่มีความสว่างในย่านอินฟราเรดค่อนข้างน้อย โดยมีโชติมาตรในย่าน K ประมาณ 19.3 ข้อมูลปัจจุบันชี้ว่ามันมีวงโคจรรีมาก โดยมีค่าความรีประมาณ 0.982–0.983 และมีคาบโคจร 8.7 ปี

วงโคจรของมันจึงมีลักษณะคล้าย “เส้นเข็ม” คือใช้เวลาส่วนใหญ่อยู่ห่างจาก Sagittarius A* แต่จะพุ่งผ่านบริเวณแรงโน้มถ่วงเข้มข้นอย่างรวดเร็วในช่วงจุดใกล้สุด ซึ่งเป็นช่วงที่ผลกระทบจากทฤษฎีสัมพัทธภาพสังเกตได้ชัดที่สุด

ที่จุดใกล้สุด S301 อยู่ห่างจาก Sagittarius A* ราว 280 รัศมีความโน้มถ่วง หรือมากกว่า 12 หน่วยดาราศาสตร์ (AU) เล็กน้อย ซึ่งใกล้เคียงกับระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์กับดาวเสาร์ และใกล้หลุมดำกว่าดาว S2 ราว 10 เท่าเมื่อเทียบกับจุดเข้าใกล้ที่สุดของ S2 ด้วยความเร็วสูงสุดประมาณ 25,000 กิโลเมตรต่อวินาที S301 จึงเป็นดาวฤกษ์ที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดเท่าที่พบในทางช้างเผือก

ตรวจพบได้อย่างไร แม้เป็นดาวที่จางมาก

ทีมวิจัยตรวจพบ S301 ด้วย GRAVITY เครื่องมืออินเตอร์เฟอโรมิเตอร์อินฟราเรดใกล้ที่ติดตั้งบนระบบ Very Large Telescope Interferometer (VLTI) ของหอดูดาวยุโรปใต้ หรือ ESO ในชิลี การค้นพบนี้ไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะบริเวณใจกลางกาแล็กซีมีดาวจำนวนมากอยู่หนาแน่นและมีแสงสว่างรบกวน ขณะที่ S301 เองมีความสว่างน้อยมาก

นักดาราศาสตร์ติดตามตำแหน่งเชิงดาราศาสตร์ของดาวจากข้อมูล GRAVITY ในช่วงปี 2023–2025 แล้วสร้างแบบจำลองวงโคจรเบื้องต้น จากนั้นจึงใช้แบบจำลองดังกล่าวคาดการณ์ย้อนกลับไปตรวจสอบข้อมูลเก็บถาวรในปี 2021 และ 2017 และพบสัญญาณของดาวในตำแหน่งที่สอดคล้องกับการคาดการณ์ ความสำเร็จในการทำนายย้อนกลับนี้เป็นหลักฐานสำคัญที่ช่วยยืนยันว่าแหล่งกำเนิดแสงจาง ๆ ดังกล่าวเคลื่อนที่ตามวงโคจรที่เสนอจริง

อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการวัดความเร็วแนวรัศมีของ S301 จากสเปกโทรสโกปีโดยตรงในขณะนี้ ดังนั้นคำตอบเรื่องวงโคจรจึงอาศัยการวัดตำแหน่งบนท้องฟ้าที่มีความแม่นยำสูงเป็นหลัก การสังเกตการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มากในอนาคตจะช่วยเติมข้อมูลการเคลื่อนที่ในสามมิติให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น

ทำไมวงโคจรนี้จึงช่วยวัดการหมุนของหลุมดำได้

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หลุมดำที่หมุนจะทำให้กาลอวกาศโดยรอบถูกบิดตามโมเมนตัมเชิงมุมของมัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การลากกรอบอ้างอิง หรือปรากฏการณ์เลนส์–ธีร์ริง (Lense–Thirring frame dragging)

ผลที่ตามมาคือระนาบวงโคจรของวัตถุที่อยู่ใกล้และมีระนาบเอียงจะค่อย ๆ เปลี่ยนทิศหรือเกิดการเลื่อนของโหนดวงโคจร S301 เข้าใกล้ Sagittarius A* มากพอที่การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวอาจตรวจวัดได้ด้วยอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์อินฟราเรดที่มีความแม่นยำสูงในปัจจุบัน รวมถึงการตรวจสเปกตรัมด้วยกล้องโทรทรรศน์รุ่นใหม่ในอนาคต หากวัดได้สำเร็จ นักดาราศาสตร์จะสามารถจำกัดค่าทั้งขนาดและทิศทางการหมุนของ Sagittarius A* ได้

การวัดนี้จะต่อยอดจากการตรวจพบการเลื่อนวงโคจรแบบชวาร์ซชิลด์ของดาว S2 ซึ่งเกิดจากมวลของหลุมดำและได้รับการวัดแล้ว โดย S301 จะช่วยทดสอบคำอธิบายของหลุมดำที่กำลังหมุน หรือที่เรียกว่า เรขาคณิตเคอร์ (Kerr metric) ซึ่งเป็นคำทำนายสำคัญจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

สิ่งที่การเข้าใกล้ในปี 2031 อาจบอกได้

การเฝ้าติดตาม S301 อย่างหนาแน่นทั้งตำแหน่งบนท้องฟ้าและสเปกตรัมในช่วงใกล้จุดเข้าใกล้ที่สุดราวปี 2031 จะช่วยเพิ่มความไวต่อการเปลี่ยนแปลงวงโคจรแบบสัมพัทธภาพ และอาจทำให้สามารถวัดการหมุนของ Sagittarius A* ผ่านการเลื่อนของโหนดวงโคจรที่เกิดจากปรากฏการณ์เลนส์–ธีร์ริงได้โดยตรง

แต่การวัด โมเมนต์ควอดรูโพล ของหลุมดำนั้นยากกว่ามาก ค่าผลกระทบจากสปินและควอดรูโพลที่คาดการณ์สำหรับ S301 มีขนาดเพียงประมาณ 4% ของผลจากปรากฏการณ์เลนส์–ธีร์ริง และถูกประเมินว่าเล็กจนแทบไม่มีนัยสำคัญสำหรับวงโคจรนี้

ประเด็นนี้สำคัญต่อการทดสอบ ทฤษฎีไม่มีเส้นผม (no-hair theorem) ซึ่งระบุว่า หลุมดำทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ควรถูกอธิบายด้วยคุณสมบัติหลักอย่างมวลและการหมุน โดยค่าโมเมนต์ควอดรูโพลควรมีค่าที่ถูกกำหนดจากคุณสมบัติเหล่านั้น ไม่ใช่เป็นตัวแปรอิสระ

ดังนั้น การเข้าใกล้ในปี 2031 อาจเป็นก้าวสำคัญในการวัด “การหมุน” ของ Sagittarius A* แต่ยังไม่ควรกล่าวว่า S301 เพียงดวงเดียวจะพิสูจน์หรือหักล้างทฤษฎีไม่มีเส้นผมได้ การวัดควอดรูโพลที่มีขนาดเล็กมากอาจต้องอาศัยดาวที่เข้าใกล้กว่านี้ การติดตามวงโคจรของดาวหลายดวงร่วมกัน หรือวิธีสังเกตการณ์รูปแบบอื่น