سریع‌ترین ستاره راه شیری با ۸ درصد سرعت نور به دور سیاه‌چاله قلب کهکشان می‌چرخد

پژوهشگران در مطالعه‌ای تازه، ستاره‌ای به نام S301 را در اطراف کمان ای*، سیاه‌چاله کلان‌جرم واقع در قلب راه شیری کشف کرده‌اند که با سرعت حیرت‌انگیز بیش از ۲۵هزار کیلومتر بر ثانیه یا تقریباً معادل ۸٫۵ درصد سرعت نور، به دور آن می‌چرخد. با این سرعت، S301 سریع‌ترین ستاره‌ای محسوب می‌شود که تاکنون در کهکشان ما شناسایی شده است.

ستاره تازه کشف‌شده مدارش به دور کمان ای* را در مدت فقط ۸٫۷ سال کامل می‌کند و در حضیض مداری خود، به اندازه‌ی فاصله زحل تا خورشید، به سیاه‌چاله نزدیک می‌شود. همین سرعت خیره‌کننده، همراه با گذر بسیار نزدیک S301 از کنار کمان ای*، می‌تواند بالاخره به پژوهشگران امکان دهد تا ویژگی‌های گریزان این سیاه‌چاله را آشکار کنند؛ در وهله نخست میزان چرخش و در نهایت اینکه آیا از نظریه معروفی موسوم به «بی‌مو بودن سیاه‌چاله‌ها» پیروی می‌کند یا خیر.

فلیکس مانگ، اخترفیزیک‌دان مؤسسه ماکس پلانک در زمینه فیزیک فرازمینی در آلمان و عضو تیم علمی «گراویتی‌پلاس» که مسئولیت مطالعه S301 را برعهده داشته است، به ساینس‌آلرت می‌گوید: «مرکز کهکشان مانند آزمایشگاهی دورافتاده است و ستارگان نقش ابزارهای اندازه‌گیری را ایفا می‌کنند.» او افزود: «اینکه اکنون عملاً کاوشگری در اختیار داریم که می‌توانیم با آن انحنای فضا-زمان پیرامون کمان ای* را اندازه بگیریم، واقعاً هیجان‌انگیز است.»

مطالعه سیاه‌چاله مرکز راه شیری آسان نیست. از آنجایی که سیاه‌چاله‌ها نوری از خود منتشر نمی‌کنند که بتوانیم مستقیماً شناسایی کنیم، بهترین ابزار ما برای مطالعه آنها، بررسی رفتار اجرام پیرامونشان است.

محیط اطراف کمان ای* بسیار جالب است. این سیاه‌چاله با انبوهی از ستاره‌ها احاطه شده که در مدارهای نزدیک و بیضوی به دور آن می‌چرخند. دانشمندان در گذشته از همین ستاره‌ها برای اندازه‌گیری ویژگی‌های سیاه‌چاله و آزمایش نسبیت عام در یکی از فرامعمول‌ترین محیط‌های مشاهده‌پذیر در کیهان استفاده کرده‌اند.

اما S301 هیجان ماجرای سیاه‌چاله قلب راه شیری را به سطح کاملاً جدیدی می‌برد. مدار بسیار کشیده این ستاره، آن را نسبت به S2، تا حدود ۱۰ برابر به کمان ای* نزدیک‌تر می‌کند. S301 در این مسیر بسیار عمیق‌تر وارد چاه گرانشی سیاه‌چاله می‌شود و درست مانند ترن هوایی که وارد سراشیبی می‌شود، پیش از رسیدن به سرعت سرسام‌آور خود شتاب می‌گیرد و سپس دوباره از آن منطقه دور می‌شود.

ستاره S301 در حضیض مداری خود آن‌قدر به کمان ای* نزدیک می‌شود که درون خود بافت فضا-زمانی حرکت می‌کند که سیاه‌چاله هنگام چرخش، آن را نیز با خود می‌کشد؛ اتفاقی که تقریباً به چرخاندن قاشق فرورفته درون ظرف عسل شباهت دارد. این پدیده به کشیده‌شدن چارچوب مرجع یا «اثر لنز–تیرینگ» معروف است.

این پیچش عسل‌وار بافت فضا-زمان همراه با چرخش خود سیاه‌چاله، باید تغییر بسیار ظریفی در مدار S301 ایجاد کند. دانشمندان می‌توانند با دقت بالا محاسبه کنند که مدار S301 بدون تأثیرات ناشی از اثر لنز–تیرینگ چگونه خواهد بود. سپس با مقایسه این پیش‌بینی با مدار واقعی و تغییرکرده ستاره، می‌توانند به عقب برگردند و سرعت چرخش کمان ای* را محاسبه کنند.

تعیین سرعت چرخش سیاه‌چاله قلب راه شیری، می‌تواند ما را به آزمایش قضیه بی‌مو بودن سیاه‌چاله‌ها نزدیک کند. براساس این قضیه، اگر سیاه‌چاله‌ای بار الکتریکی چشمگیری نداشته باشد، با دانستن جرم و سرعت چرخش آن می‌توان تمام دیگر ویژگی‌های میدان گرانشی‌اش را نیز پیش‌بینی کرد.

البته اندازه‌گیری چرخش به‌تنهایی برای حل مسئله کافی نیست. اما با انجام رصدهای کافی، مدار S301 ممکن است سرانجام ویژگی دیگری از میدان گرانشی کمان ای* را نیز آشکار کند که به آن «گشتاور چهارقطبی» گفته می‌شود. نسبیت عام دقیقاً پیش‌بینی می‌کند که این کمیت، براساس جرم و چرخش سیاه‌چاله، چه مقداری باید داشته باشد. اگر مشاهدات با پیش‌بینی‌ها مطابقت داشته باشند، کمان ای* یک آزمون بسیار دشوار از قضیه بی‌مو بودن را با موفقیت پشت سر می‌گذارد.

مدار بسیار کشیده S301 سرنخ دیگری نیز در خود دارد: این ستاره ممکن است زمانی بخشی از یک منظومه دوتایی بوده باشد که بیش از حد به کمان ای* نزدیک شده است. سیاه‌چاله‌ها در فرایندی موسوم به «سازوکار هیلز»، می‌توانند ستارگان دوتایی را از هم جدا کند؛ به‌طوری که یکی از ستاره‌ها را در مداری فشرده به دام بیندازد و دیگری را با سرعتی بسیار زیاد به بیرون پرتاب کند.

از آنجایی که دوره مداری S301 بسیار کوتاه است، برای بررسی معما لازم نیست مدت زیادی منتظر بمانیم. S301 در اواخر سال ۲۰۳۱ بار دیگر به حضیض مداری خود می‌رسد؛ زمانی که اثر چرخش سیاه‌چاله بر مدار آن بیشترین مقدار را خواهد داشت.

تیم علمی گراویتی‌پلاس به ردیابی S301 ادامه خواهد داد و ابزار آینده تلسکوپ فوق‌العاده بزرگ رصدخانه جنوبی اروپا به نام «دوربین تصویربرداری با اپتیک تطبیقی چندگانه برای رصدهای ژرف» (MICADO) نیز باید به اخترشناسان کمک کند تا حرکت این ستاره را در سه بعد بازسازی کنند. این رصدهای تکمیلی می‌تواند به پژوهشگران امکان دهد تا درطول دهه آینده سرعت چرخش کمان ای* را با دقت زیادی مشخص کنند.

و شاید گنجینه‌های بیشتری نیز در عمیق‌ترین بخش قلب کهکشان راه شیری پنهان شده باشند. مانگ می‌گوید: «انتظار داریم ستاره‌های بیشتری مانند S301 در مرکز کهکشان وجود داشته باشند و اگر ستاره مشابه دیگری پیدا کنیم، اندازه‌گیری چرخش به‌مراتب آسان‌تر خواهد شد.»

یافته‌های پژوهشگران در مجله نیچر منتشر شده است.