Ngôi sao nhanh nhất thiên hà có thể hé lộ bí mật về lỗ đen siêu khối lượng

Một nhóm nhà thiên văn học vừa phát hiện ngôi sao có tốc độ quỹ đạo nhanh nhất trong dải Ngân Hà, với vận tốc tối đa lên tới 25.000 km/s. Ngôi sao mang tên S301 này quay quanh Sagittarius A* — lỗ đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm thiên hà của chúng ta — và quỹ đạo của nó có thể là chìa khóa để đo tốc độ tự quay của lỗ đen, một đại lượng vật lý còn nhiều bí ẩn.

Ngôi sao "chạy nước rút" bên bờ hố đen

S301 đạt vận tốc tối đa 25.000 km/s và hoàn thành một vòng quỹ đạo quanh Sagittarius A* trong 8,7 năm. Để so sánh, Mặt Trời của chúng ta di chuyển quanh trung tâm thiên hà với tốc độ chỉ khoảng 230 km/s. Điều đó có nghĩa là ở vận tốc đỉnh, S301 di chuyển nhanh hơn Mặt Trời hơn 100 lần, đạt tới 8% tốc độ ánh sáng.

Bí quyết nằm ở khoảng cách cực gần giữa S301 và lỗ đen. Theo Đài quan sát Nam Âu (ESO), tại điểm cận nhật, khoảng cách giữa hai thiên thể chỉ tương đương khoảng cách từ Mặt Trời đến Sao Thổ. Lực hấp dẫn khổng lồ của Sagittarius A* tăng tốc ngôi sao khi nó lao tới gần, nhưng S301 không rơi thẳng vào lỗ đen. Thay vào đó, nó đi theo một quỹ đạo cực kỳ dẹt, tương tự như quỹ đạo của sao chổi Halley trong Hệ Mặt Trời.

Nguồn gốc bất thường

S301 không phải là ngôi sao có thể hình thành ngay tại vị trí hiện tại — vùng không gian quá gần một lỗ đen siêu khối lượng không cho phép các đám mây khí sụp đổ thành sao. Các nhà nghiên cứu tin rằng:

• S301 ban đầu là một phần của hệ sao đôi
• Lực thủy triều khổng lồ của Sagittarius A* đã xé toạc cặp đôi này
• Ngôi sao đồng hành bị đẩy văng ra với vận tốc cực lớn, thậm chí có thể đã rời khỏi thiên hà hoàn toàn
• S301 bị bẫy lại bởi lực hấp dẫn của lỗ đen

"S301 có thể đã từng là một phần của cặp sao đôi bị xé tách bởi lực thủy triều của Sagittarius A*. Trong quá trình đó, S301 bị mắc kẹt bởi lực hấp dẫn của lỗ đen trong khi ngôi sao đồng hành bị bắn ra với vận tốc đủ lớn để rời khỏi thiên hà", ESO giải thích.

Cơ hội vàng đo tốc độ quay của lỗ đen

Khối lượng và tốc độ tự quay (spin) là hai thông số cơ bản của một lỗ đen. Hiện tại, các nhà khoa học mới chỉ có dấu hiệu về việc Sagittarius A* đang quay, nhưng chưa thể đo chính xác tốc độ hay hướng quay.

Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, một lỗ đen đang quay sẽ kéo không-thời gian xung quanh nó đi cùng chiều quay. Hiệu ứng này làm thay đổi quỹ đạo của S301 một cách tinh tế. Nếu các nhà thiên văn đo được những sai lệch nhỏ này trong vài năm tới, họ có thể xác định được spin của Sagittarius A*.

Mô phỏng nghệ thuật về quỹ đạo của ngôi sao S301 quanh lỗ đen Sagittarius A*

Hành trình theo dõi và triển vọng

S301 lần đầu được phát hiện vào năm 2023 bằng GRAVITY, thiết bị quan sát giao thoa trên kính viễn vọng VLTI của ESO tại Chile. Từ đó, các nhà khoa học đã lần vết chuyển động của nó và truy ngược lại các dữ liệu quan sát từ năm 2017. Ngôi sao này đã đạt điểm cận nhật với Sagittarius A* vào đầu năm 2023 và sẽ tiếp cận lại lỗ đen này vào năm 2031.

S301 không phải là ngôi sao duy nhất quay quanh Sagittarius A*. Trong nhiều thập kỷ, các ngôi sao như S2 đã giúp các nhà thiên văn xác định khối lượng của lỗ đen và kiểm chứng các dự đoán của thuyết tương đối rộng. Tuy nhiên, điểm khác biệt nằm ở chỗ S301 bay quá gần Sagittarius A* đến mức nó có thể cho phép đo trực tiếp tốc độ quay của lỗ đen chỉ trong vòng một thập kỷ tới — điều mà nếu dùng các ngôi sao khác phải mất nhiều thập kỷ quan sát.

Kết quả này mở ra một chương mới trong việc nghiên cứu các lỗ đen siêu khối lượng, cũng như cách chúng tương tác với không-thời gian xung quanh — một bài toán vật lý thiên văn mà con người vẫn đang nỗ lực giải mã.