S301: Ngôi sao nhanh nhất gần Sagittarius A* có thể hé lộ độ quay của hố đen

S301 là một ngôi sao mờ đang chuyển động trên quỹ đạo chặt và nhanh nhất từng được biết quanh Sagittarius A* (Sgr A*), hố đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm Ngân Hà. Khi tiến đến điểm gần nhất, nó được dự đoán đạt vận tốc khoảng 25.000 km/giây — tương đương khoảng 8% tốc độ ánh sáng — trong lúc chỉ đi qua cách hố đen khoảng 12 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời.

Điểm đáng chú ý của S301 không chỉ nằm ở tốc độ kỷ lục. Giá trị khoa học lớn hơn đến từ việc quỹ đạo của nó đưa ngôi sao này đến rất gần Sgr A*. Chuyển động của S301 có thể mở ra cách đo độ quay của hố đen và kiểm tra các dự đoán của thuyết tương đối rộng trong một trong những môi trường hấp dẫn cực đoan nhất mà con người có thể quan sát.

Quỹ đạo kéo dài chỉ 8,7 năm

S301 đi theo một elip rất dẹt và kéo dài, gần giống một mũi kim, với chu kỳ quỹ đạo khoảng 8,7 năm. Sgr A* nằm gần một đầu của elip này, nơi ngôi sao lao qua điểm gần nhất — thường gọi là điểm cận nhật quỹ đạo, hay pericenter. Khoảng cách dự kiến tại đó vào khoảng 12 đơn vị thiên văn, gần tương đương khoảng cách từ Mặt Trời đến Sao Thổ, và tương ứng khoảng 280 bán kính hấp dẫn theo các phép đo quỹ đạo được báo cáo.

Khi rơi về phía hố đen, S301 bị lực hấp dẫn gia tốc mạnh. Vận tốc cực đại dự đoán khoảng 25.000 km/giây khiến nó trở thành ngôi sao nhanh nhất từng được quan sát trong Ngân Hà, đồng thời là “tàu thăm dò” sao gần Sgr A* nhất từng được biết đến.

S301 cũng đặc biệt mờ, với cấp sao trong dải K được báo cáo khoảng 19,3. Các nhà nghiên cứu cho rằng đây nhiều khả năng là một ngôi sao dãy chính, nhưng độ mờ khiến việc xác định chính xác các đặc tính của nó trở nên khó khăn.

Phát hiện S301 như thế nào?

Nhóm GRAVITY phát hiện S301 vào mùa xuân năm 2023 bằng thiết bị GRAVITY gắn trên Kính thiên văn Giao thoa Very Large Telescope của Đài thiên văn Nam Âu. Khi đó, ngôi sao nằm cách Sgr A* khoảng 15 mili-giây cung về phía tây bắc. Trong những tháng tiếp theo, nó di chuyển ra xa và để lộ chuyển động rất nhanh, hơi cong qua các lần quan sát trong năm 2023.

Sau khi dùng những phép đo này để ước tính quỹ đạo của S301, các nhà thiên văn dự đoán vị trí mà ngôi sao lẽ ra từng xuất hiện trong quá khứ. Họ đã tìm thấy nó trong dữ liệu lưu trữ của GRAVITY từ năm 2021, rồi tiếp tục lần ngược về năm 2017. Khoảng thời gian quan sát dài hơn giúp củng cố cách diễn giải rằng đây thực sự là một ngôi sao trên quỹ đạo cực đoan quanh Sgr A*.

Tuy vậy, quỹ đạo được công bố vẫn còn sơ bộ. Đặc biệt, nhóm nghiên cứu chưa có phép đo vận tốc xuyên tâm của S301 — tức thành phần chuyển động theo hướng tiến lại gần hoặc rời xa chúng ta. Các quan sát tương lai sẽ rất quan trọng để hoàn thiện chuyển động ba chiều và những thông số quỹ đạo của ngôi sao.

Vì sao S301 có thể giúp đo độ quay của hố đen?

Một hố đen đang quay không chỉ hút các vật thể xung quanh. Theo thuyết tương đối rộng, mômen động lượng của nó có thể kéo không-thời gian lân cận xoay theo. Hiện tượng này được gọi là kéo khung không-thời gian (frame-dragging), hay hiệu ứng Lense–Thirring. Với một ngôi sao đang quay quanh hố đen, hiệu ứng này có thể dần làm thay đổi hướng của mặt phẳng quỹ đạo.

Ảnh hưởng đó suy giảm rất nhanh khi khoảng cách tăng lên. Vì có điểm cận nhật nhỏ bất thường, S301 nhạy với độ quay của Sgr A* hơn nhiều so với các ngôi sao trên những quỹ đạo rộng hơn. Bằng cách liên tục đo vị trí của S301 với độ chính xác cao, các nhà thiên văn có thể tìm kiếm những thay đổi nhỏ nhưng tích lũy theo thời gian — dấu hiệu được dự đoán do một hố đen đang quay gây ra — rồi so sánh với quỹ đạo kỳ vọng nếu hố đen không quay.

Đây mới là cơ hội cho tương lai, chưa phải kết quả đo độ quay đã đạt được. Việc theo dõi thiên văn chính xác trước lần S301 áp sát dự kiến vào cuối năm 2031, cũng như trong khoảng một thập niên sau đó, có thể cho biết chuyển động tích lũy của ngôi sao phù hợp hơn với một Sgr A* quay nhanh hay một hố đen đứng yên.

Mục tiêu xa hơn: kiểm nghiệm định lý “không có tóc”

Về lâu dài, S301 có thể hỗ trợ một phép kiểm tra khó hơn nữa: đo mômen tứ cực của hố đen. Đại lượng này mô tả cách chuyển động quay ảnh hưởng đến hình dạng của trường hấp dẫn, vượt ra ngoài những tác động đơn giản hơn do khối lượng và độ quay tạo ra.

Trong nghiệm Kerr của thuyết tương đối rộng, các đặc tính có thể đo được từ bên ngoài của một hố đen cô lập được quyết định bởi khối lượng và độ quay; điện tích được cho là không đáng kể đối với hố đen thiên văn. Vì vậy, kiểm tra mối quan hệ được dự đoán giữa độ quay và mômen tứ cực có thể thăm dò định lý “không có tóc” của hố đen.

Tuy nhiên, phép đo này khó hơn đáng kể so với việc phát hiện ảnh hưởng của độ quay. Tín hiệu do mômen tứ cực tạo ra nhỏ hơn và có thể bị lẫn với những nhiễu loạn hấp dẫn từ các ngôi sao khác hoặc các vật thể đặc sít chưa được quan sát quanh trung tâm Ngân Hà. Vì thế, các nhà nghiên cứu xem đây là mục tiêu dài hạn có thể đạt được, chứ chưa phải kết quả chắc chắn.

Những quan sát tiếp theo sẽ quyết định điều gì?

Ưu tiên trước mắt là tiếp tục theo dõi S301 và cải thiện mô hình quỹ đạo. Những phép đo mới có thể xác định chuyển động xuyên tâm của ngôi sao, làm rõ thời điểm và khoảng cách tại điểm cận nhật, đồng thời giúp phân biệt các hiệu ứng tương đối tính với những bất định do môi trường sao dày đặc quanh trung tâm Ngân Hà gây ra.

Nếu quỹ đạo dự đoán được xác nhận, S301 sẽ trở thành một phép thử đặc biệt nhạy đối với cách hố đen siêu khối lượng quay và cách chuyển động quay đó ảnh hưởng đến không-thời gian lân cận. Tốc độ kỷ lục là phần dễ gây chú ý nhất, nhưng giá trị thực sự của S301 nằm ở chỗ một ngôi sao mờ, chuyển động cực nhanh có thể trở thành đầu dò chính xác cho Sagittarius A*.