S301 lao quanh hố đen trung tâm Ngân Hà với tốc độ hơn 25.000 km/giây

So với S2, đây là một bước tiến quan sát quan trọng. Các phép đo trước đây đối với S2 đã cho thấy sự tiến động Schwarzschild — sự xoay dần của quỹ đạo do khối lượng hố đen gây ra. S301 có quỹ đạo gần hơn nhiều, vì vậy có thể mở ra cơ hội quan sát một hiệu ứng khác gắn với chuyển động quay của hố đen.

Các nhà thiên văn phát hiện S301 như thế nào?

S301 cực kỳ mờ và nằm trong khu vực trung tâm Ngân Hà vốn dày đặc sao, đồng thời bị lấn át bởi nền sáng mạnh. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện nó bằng GRAVITY, một giao thoa kế hồng ngoại lắp đặt trên Giao thoa kế Kính thiên văn Rất lớn (VLTI) của Đài quan sát Nam Âu tại Chile.

Nhóm nghiên cứu theo dõi vị trí biểu kiến của S301 trong các dữ liệu GRAVITY thu thập từ năm 2023 đến 2025, rồi xây dựng mô hình quỹ đạo sơ bộ. Từ mô hình đó, họ dự đoán vị trí của ngôi sao trong các quan sát cũ hơn và tìm lại được S301 trong dữ liệu lưu trữ từ năm 2021 và 2017. Việc dự đoán ngược thành công là một bước xác nhận quan trọng cho thấy nguồn sáng mờ này thực sự đi theo quỹ đạo được đề xuất.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu hiện chưa thu được vận tốc xuyên tâm trực tiếp của S301 bằng quang phổ. Vì vậy, nghiệm quỹ đạo hiện tại chủ yếu dựa trên các phép đo vị trí góc cực chính xác trên bầu trời. Những quan sát quang phổ trong tương lai, đặc biệt với các kính thiên văn cực lớn, sẽ giúp hoàn thiện thông tin về chuyển động ba chiều của ngôi sao.

Vì sao S301 có thể giúp đo spin của Sagittarius A*?

Theo thuyết tương đối rộng, một hố đen đang quay sẽ kéo không-thời gian xung quanh nó chuyển động theo. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng kéo khung Lense–Thirring. Với một ngôi sao có quỹ đạo nghiêng và tiến đủ gần, hiệu ứng này có thể khiến mặt phẳng quỹ đạo cùng nút quỹ đạo tiến động theo thời gian.

S301 đến đủ gần để chuyển động tiến động do spin của Sagittarius A* có khả năng được phát hiện bằng giao thoa kế hồng ngoại độ chính xác cao hiện nay, kết hợp với các phép đo quang phổ trong tương lai. Nếu đo được hiệu ứng này, các nhà thiên văn có thể suy ra cả độ lớn lẫn hướng spin của hố đen.

Kết quả sẽ mở rộng các phép thử tại trung tâm Ngân Hà: từ hiệu ứng tiến động Schwarzschild do khối lượng của hố đen gây ra và đã được đo với S2, sang mô tả hố đen quay theo hình học Kerr — nghiệm được thuyết tương đối rộng của Einstein dự đoán.

Lần áp sát năm 2031 có thể cho biết điều gì?

Lần S301 đi qua điểm cận nhật tiếp theo được dự kiến vào khoảng năm 2031. Một chiến dịch quan sát dày đặc, kết hợp đo vị trí thiên thể và quang phổ trước, trong và sau thời điểm này, sẽ tạo ra dữ liệu nhạy nhất với những thay đổi tương đối tính trong quỹ đạo của S301. Điều đó có thể đủ để đem lại phép đo trực tiếp đầu tiên về spin của Sagittarius A* thông qua hiệu ứng tiến động Lense–Thirring.

Nhưng đo mômen tứ cực của hố đen là mục tiêu khó hơn nhiều. Mômen này mô tả một thành phần tinh vi trong cấu trúc trường hấp dẫn, liên quan đến sự biến dạng do chuyển động quay. Với S301, tín hiệu tứ cực do spin dự đoán chỉ bằng khoảng 4% hiệu ứng Lense–Thirring và được đánh giá là không đáng kể đối với quỹ đạo này.

Vì thế, hiện chưa đủ cơ sở để nói rằng riêng lần áp sát năm 2031 của S301 sẽ kiểm chứng được định lý không có tóc. Theo định lý này, một hố đen thiên văn trong thuyết tương đối rộng được xác định về cơ bản bởi khối lượng và spin; mômen tứ cực của nó phải nhận đúng giá trị do hai đại lượng đó quy định.

Để kiểm tra mệnh đề này một cách thuyết phục, các nhà thiên văn có thể cần những ngôi sao còn tiến gần hơn, nhiều quỹ đạo sao phù hợp để đối chiếu, hoặc một phương pháp quan sát khác. Trước mắt, S301 vẫn là một mục tiêu đặc biệt giá trị: nó có thể giúp đo spin của hố đen trung tâm Ngân Hà và đưa các phép thử thuyết tương đối rộng vào một vùng chưa từng được tiếp cận trực tiếp như vậy.