ستاره‌ای که به تازگی کشف شده، می‌تواند چرخش سیاه‌چاله مرکزی راه شیری را آشکار کند

برای دهه‌ها، درک ما از افراطی‌ترین محیط‌های کیهان به جای اندازه‌گیری‌های مستقیم، به فرضیات ریاضی متکی بوده است. اگر معادلات حاکم بر گرانش حتی اندکی ناقص باشند، همه چیز از تکامل کهکشان‌ها گرفته تا قوانین بنیادی فیزیک نیازمند بازنویسی است. اکنون، ستاره‌شناسان یک آزمایشگاه طبیعی برای آزمودن مستقیم آن معادلات پیدا کرده‌اند: ستاره‌ای که به تازگی کشف شده و با سرعتی بی‌سابقه به دور سیاه‌چاله کلان‌جرم مرکزی راه شیری می‌چرخد.[1]

این کشف که این هفته در نشریه نیچر منتشر شد، بر روی یک ستاره کم‌نور و شبیه به خورشید متمرکز است که اس ۳۰۱ نامگذاری شده است. اس ۳۰۱ که به دور کمانگیر آ* (Sgr A*)—سیاه‌چاله‌ای با جرم ۴.۳ میلیون برابر خورشید در مرکز کهکشان— می‌چرخد، نزدیک‌ترین و سریع‌ترین ستاره‌ای است که تاکنون در این محیط افراطی رصد شده است.

مسیر حرکت آن چنان فشرده است که به منطقه‌ای نفوذ می‌کند که در آن چرخش سیاه‌چاله، بافت فضا-زمان اطراف خود را به معنای واقعی کلمه با خود می‌کشد؛ پدیده‌ای که به عنوان تقدیم لنز-تیرینگ (Lense-Thirring precession) شناخته می‌شود.[1]

شواهد اصلی از ابزارهای گراویتی (GRAVITY) و گراویتی پلاس (GRAVITY+) در تداخل‌سنج تلسکوپ بسیار بزرگ (VLTI) رصدخانه جنوبی اروپا در شیلی به دست آمده است. با ترکیب نور چندین تلسکوپ، این همکاری بین‌المللی به وضوح لازم برای مشاهده جرمی دست یافت که تقریباً دو میلیارد برابر کم‌نورتر از ستاره ابط‌الجوزا است و در فاصله ۲۷ هزار سال نوری در هسته شلوغ و غبارآلود کهکشان قرار دارد.

داده‌ها ستاره‌ای را نشان می‌دهند که به نهایت‌های جنبشی رانده شده است. اس ۳۰۱ یک مدار بسیار بیضوی را تنها در ۸.۷ سال کامل می‌کند و رکوردهای قبلی مرکز کهکشانی را در هم می‌شکند. در نزدیک‌ترین فاصله خود، که به آن حضیض مداری (Periapsis) گفته می‌شود، تا ۱.۷۸ میلیارد کیلومتری افق رویداد سیاه‌چاله می‌رسد—تقریباً ۱۲ واحد نجومی، که قابل مقایسه با فاصله بین خورشید ما و زحل است.[1]

در این نزدیکی، نیروهای گرانشی اس ۳۰۱ را به سرعت‌های سرسام‌آوری شتاب می‌دهند. داده‌های رصدی نشان می‌دهند که این ستاره در نزدیک‌ترین گذر خود تقریباً ۲۵ هزار کیلومتر بر ثانیه سرعت دارد. این معادل تقریباً ۵۵ میلیون مایل در ساعت، یا بیش از ۸ درصد سرعت نور است و آن را به سریع‌ترین ستاره شناخته شده در کهکشان راه شیری تبدیل می‌کند.

سازوکاری که اس ۳۰۱ را برای فیزیکدانان بسیار ارزشمند می‌سازد، نحوه تعامل آن با فضا-زمان خمیده است. بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، یک جرم عظیم در حال چرخش صرفاً در فضا قرار نمی‌گیرد؛ بلکه فضا-زمان اطراف خود را مانند قاشقی که عسل را هم می‌زند، می‌پیچاند. این اثر «کشیدگی چارچوب» (frame-dragging) مدارهای هر چیزی را که از نزدیک آن عبور کند، تغییر می‌دهد.[2]

تاکنون، ستاره‌شناسان برای آزمودن نسبیت به ستاره‌های دیگری مانند اس ۲ (S2) که به خوبی مستند شده است، تکیه می‌کردند. مدار ۱۶ ساله اس ۲ با موفقیت ثابت کرد که نور هنگام بالا آمدن از چاه گرانشی انرژی از دست می‌دهد و مدارهای بیضوی به مرور زمان به آرامی می‌چرخند. با این حال، این اثرات تنها جرم سیاه‌چاله را اندازه‌گیری می‌کنند. از آنجا که اثر کشیدگی چارچوب به صورت نمایی با فاصله کاهش می‌یابد، اس ۲ هرگز به اندازه کافی نزدیک نمی‌شود تا چرخش سیاه‌چاله را حس کند.[1]

اما اس ۳۰۱ از این آستانه عبور می‌کند. این اولین ستاره‌ای است که مستقیماً در منطقه‌ای اطراف کمانگیر آ* می‌چرخد که اثر کشیدگی چارچوب در آن بسیار شدید است. این ستاره به عنوان یک ذره آزمایشی درخشان عمل می‌کند و به محققان اجازه می‌دهد نه تنها انحنای فضا-زمان، بلکه اعوجاج فعال آن ناشی از چرخش را نیز اندازه‌گیری کنند.

با وجود داده‌های مداری قوی، شواهد مربوط به چرخش واقعی سیاه‌چاله همچنان آینده‌نگرانه است. مجموعه داده‌های فعلی موقعیت ستاره را از زمان کشف اولیه آن در سال ۲۰۲۳، همراه با مشاهدات آرشیوی استخراج شده از سال‌های ۲۰۲۱ و ۲۰۱۷، ترسیم می‌کند. این برای تأیید مدار کافی است، اما هنوز برای اندازه‌گیری انحرافات ظریفی که توسط کشیدگی چارچوب ایجاد می‌شوند، کافی نیست.[1][2]

عدم قطعیت در جدول زمانی نهفته است. برای جدا کردن اثر چرخش از سایر نویزهای گرانشی، ستاره‌شناسان باید ستاره را در چندین نزدیک شدن رصد کنند. نزدیک‌ترین حضیض مداری بعدی در سال ۲۰۳۱ رخ خواهد داد. محققان صراحتاً بیان می‌کنند که حداقل یک دهه دیگر ردیابی مستمر لازم است تا دقت مورد نیاز برای محاسبه نرخ چرخش قطعی انباشته شود.[1]

منشأ اس ۳۰۱ همچنین شواهد ثانویه‌ای برای پویایی‌های خشونت‌آمیز کهکشانی فراهم می‌کند. بر اساس درخشندگی کم آن، ستاره‌شناسان محاسبه می‌کنند که اس ۳۰۱ یک ستاره رشته اصلی با جرمی تنها ۱.۱ تا ۱.۵ برابر خورشید ما است. این ستاره بسیار کوچک‌تر از آن است که بتواند در محیط آشفته و مملو از تشعشع نزدیک سیاه‌چاله کلان‌جرم شکل گرفته باشد.[1]

در عوض، پویایی‌شناسان به سازوکار هیلز اشاره می‌کنند. داده‌ها قویاً نشان می‌دهند که اس ۳۰۱ در اصل بخشی از یک سامانه ستاره‌ای دوتایی فشرده بوده که بیش از حد به کمانگیر آ* نزدیک شده است. نیروهای کشندی عظیم این جفت را از هم جدا کرده و یک ستاره را به عنوان پرتابه‌ای با سرعت فوق‌العاده از کهکشان به بیرون پرتاب کرده، در حالی که اس ۳۰۱ را در مدار کنونی و بسیار کشیده خود به دام انداخته است.[1]

در آینده، کمپین رصدی به سمت سخت‌افزارهای نسل بعدی تغییر خواهد کرد. در حالی که ابزار گراویتی VLTI کشف اولیه را فراهم کرد، ردیابی‌های آینده به ابزار میکادو (MICADO) متکی خواهد بود که برای تلسکوپ بسیار بزرگ (ELT) برنامه‌ریزی شده است. این امر به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد تا حرکت سه‌بعدی اس ۳۰۱ را با وفاداری بی‌سابقه‌ای بازسازی کنند.[2]

در صورت موفقیت، این اندازه‌گیری «قضیه بدون مو» (no-hair theorem) را آزمایش خواهد کرد، که یک مفهوم بنیادی در اخترفیزیک است و بیان می‌کند که سیاه‌چاله‌های منزوی را می‌توان به طور کامل تنها با سه ویژگی توصیف کرد: جرم، بار الکتریکی و چرخش. با توجه به اینکه جرم کمانگیر آ* قبلاً اندازه‌گیری شده است، به دست آوردن نرخ چرخش آن یک شکاف بزرگ در درک ما از موتور کیهانی در مرکز کهکشانمان را پر خواهد کرد.[2]