How did scientists find a star this close to the galactic centre?

The ESO's GRAVITY+ interferometer combines light from four 8-metre telescopes at Paranal, giving enough resolution to distinguish individual stars near Sagittarius A*. Tracking S301's position over multiple years allowed the team to reconstruct its full orbit.

What is frame-dragging and why does it matter for S301?

A rotating mass drags spacetime around itself — the stronger the spin, the more pronounced the effect. S301 orbits close enough that this drag should visibly alter its orbital precession over years, giving a direct measurement of Sagittarius A*'s angular momentum.

How does S301 compare to other S stars near Sgr A*?

The best-studied S star, S2, reaches a closest approach of about 100 astronomical units every 16 years at around 7,650 km/s. S301 passes eight times closer, completes an orbit in 8.7 years, and moves at 25,000 km/s — three times faster at pericenter.

When will scientists actually measure the spin of Sagittarius A*?

The lead author estimates a 10-year window. The frame-dragging precession of S301's orbital plane needs to accumulate across several orbital periods before it becomes detectable with GRAVITY+. The measurement is a future result, not yet achieved.

S301, sao nhanh nhất Ngân Hà, có thể đo vòng quay của Sagittarius A* lần đầu tiên

Một vật thể đang quay quanh hố đen trung tâm của Ngân Hà với tốc độ và khoảng cách gần đến mức các định luật vật lý về vật thể quay – không chỉ các vật thể có khối lượng lớn – cuối cùng có thể được kiểm chứng. S301, được một nhóm nghiên cứu tại Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics phát hiện bằng hệ thống VLTI của European Southern Observatory, bay qua Sagittarius A* ở khoảng cách chỉ 1,78 tỷ km – khoảng cách tương đương giữa Mặt Trời và Sao Thổ. Nó di chuyển với vận tốc khoảng 25.000 km/s, tức 8% tốc độ ánh sáng. Chưa có ngôi sao nào từng được theo dõi trong khu vực này của Ngân Hà di chuyển nhanh và đến gần như vậy.

Điều làm nên sự khác biệt của S301 so với các ngôi sao di chuyển nhanh khác gần trung tâm Ngân Hà không chỉ là tốc độ – mà là hệ quả. Ở khoảng cách gần đó, thuyết tương đối tổng quát của Einstein dự đoán rằng hố đen đang quay sẽ kéo không-thời gian xung quanh theo nó, một hiệu ứng gọi là frame-dragging hay hiệu ứng Lense-Thirring. Bởi vì S301 đi vào sâu trong vùng này, quỹ đạo của nó sẽ mang những dấu hiệu có thể đo lường về tốc độ quay của Sagittarius A*. Điều đó chưa từng đạt được với bất kỳ ngôi sao nào đã biết.

“Với ngôi sao này, chúng tôi hy vọng sẽ đo được spin của hố đen trong vòng 10 năm tới,” Felix Mang, tác giả chính của nghiên cứu và nhà nghiên cứu tại Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, cho biết. Hiện tại chưa có phép đo trực tiếp nào về tốc độ quay của Sagittarius A*. S301 có thể mang lại điều đó.

Một lớp sao S khác biệt

Sagittarius A* được bao quanh bởi một cụm sao di chuyển nhanh gọi là sao S, đã được lập danh mục trong hơn ba thập kỷ và được sử dụng để lập bản đồ ảnh hưởng hấp dẫn của hố đen. Ngôi sao nổi tiếng nhất, S2, đã cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên rằng Sagittarius A* có khối lượng bốn triệu khối lượng Mặt Trời – công trình đã mang lại cho Reinhard Genzel và Andrea Ghez giải Nobel Vật lý năm 2020. S2 đạt tốc độ khoảng 7.650 km/s ở điểm cận kề, xấp xỉ 2,5% tốc độ ánh sáng, trên quỹ đạo 16 năm.

S301 hoàn thành một quỹ đạo đầy đủ trong 8,7 năm – chưa bằng một nửa thời gian – và ở điểm cận kề di chuyển nhanh gấp ba lần S2 tại pericenter của chính nó. Quan trọng hơn, nó bay qua Sagittarius A* ở khoảng cách xấp xỉ 12 đơn vị thiên văn, gần hơn khoảng tám lần so với bất kỳ sao S nào đã biết trước đây. Ở khoảng cách đó, các hiệu ứng tương đối tổng quát không chỉ tồn tại; chúng tích lũy trong quỹ đạo với tốc độ mà các thiết bị tại Paranal có thể theo dõi từng năm.

Khám phá được thực hiện bằng GRAVITY+, một bản nâng cấp thế hệ tiếp theo của giao thoa kế GRAVITY nguyên bản tại Đài quan sát Paranal của ESO ở Chile. GRAVITY+ kết hợp ánh sáng từ bốn kính thiên văn 8,2 mét để đạt độ phân giải góc cần thiết nhằm phân giải các ngôi sao riêng lẻ trong cụm sao dày đặc, bị che khuất bởi bụi xung quanh trung tâm Ngân Hà. Bằng cách theo dõi vị trí của S301 qua nhiều kỳ quan sát, nhóm nghiên cứu đã tái tạo quỹ đạo đầy đủ của nó với độ chính xác đủ để xác định khoảng cách cận điểm và vận tốc đỉnh.

Tại sao spin lại quan trọng

Khối lượng của Sagittarius A* đã được biết đến từ nhiều năm nay. Nhưng khối lượng chỉ là một trong hai đặc tính cơ bản mà một hố đen có thể có, cùng với điện tích – mà các hố đen trong vật lý thiên văn thường nhanh chóng mất đi trong môi trường thực tế. Đặc tính còn lại là spin. Theo nghiệm Kerr của phương trình trường Einstein, một hố đen quay mang mômen động lượng, và sự quay đó định hình hình học của không-thời gian xung quanh nó theo những cách vượt xa những gì chỉ khối lượng tạo ra.

Tốc độ quay của Sagittarius A* là bao nhiêu và theo hướng nào sẽ chi phối cấu trúc của chân trời sự kiện và quỹ đạo của bất kỳ vật thể nào ở gần. Các ước tính hiện tại từ các phương pháp gián tiếp – mô hình hóa phát xạ đĩa bồi tụ quan sát được trong hình ảnh Event Horizon Telescope năm 2022 – gợi ý rằng nó có thể quay ở tốc độ vừa phải, nhưng độ bất định vẫn đủ lớn để bao phủ phần lớn dải giá trị cho phép. Một phép đo từ tuế sai quỹ đạo của S301 sẽ là phép xác định trực tiếp đầu tiên.

Hiệu ứng Lense-Thirring khiến mặt phẳng quỹ đạo của một ngôi sao quay quanh một vật thể quay bị tuế sai – tức là quay dần – với tốc độ tỷ lệ thuận với tham số spin của hố đen. Đối với S301, nhóm nghiên cứu tính toán rằng tuế sai này sẽ tích lũy đến mức có thể phát hiện được trong những năm quan sát tiếp theo với GRAVITY+.

Những gì dữ liệu chưa thể khẳng định

Một số giới hạn quan trọng được áp dụng. Quỹ đạo của S301 – tốc độ, chu kỳ và khoảng cách cận điểm – hiện đã được xác định rõ. Tuế sai do frame-dragging vẫn chưa được phát hiện; đó là một phép đo trong tương lai đòi hỏi phải theo dõi ngôi sao qua nhiều lần bay qua Sagittarius A* hơn nữa.

Trung tâm Ngân Hà cũng là một môi trường nhiễu loạn theo tiêu chuẩn vật lý thiên văn. Sự phân bố của các ngôi sao, khí và vật chất tối trong khu vực tạo ra các nhiễu loạn hấp dẫn Newton có thể làm lệch quỹ đạo theo những cách giống với hiệu ứng tuế sai tương đối tính. Việc tách tín hiệu Lense-Thirring đòi hỏi phải mô hình hóa và loại trừ những đóng góp này, điều này làm tăng thêm độ phức tạp và độ bất định cho phép đo cuối cùng.

Cuối cùng, việc phát hiện ra S301 tự nó là một động lực để tìm kiếm kỹ lưỡng hơn. Cụm sao bên trong xung quanh Sagittarius A* bị che khuất nhiều bởi bụi, và GRAVITY+ chỉ có thể thăm dò trong một giới hạn nhất định. Khả năng vẫn tồn tại rằng có thêm những ngôi sao khác bay ở khoảng cách gần hơn nữa, với các dấu hiệu quỹ đạo chứa các dấu ấn tương đối tính mạnh hơn hoặc khác biệt.

Những câu hỏi thường gặp về S301 và Sagittarius A*

Làm thế nào các nhà khoa học tìm thấy một ngôi sao ở gần trung tâm Ngân Hà đến vậy? Thiết bị GRAVITY+ của Very Large Telescope Interferometer kết hợp ánh sáng từ bốn kính thiên văn 8 mét để đạt độ phân giải cần thiết nhằm phân giải các ngôi sao riêng lẻ trong cụm sao dày đặc xung quanh Sagittarius A*. Bằng cách theo dõi sự dịch chuyển vị trí nhỏ qua nhiều năm, nhóm nghiên cứu đã tái tạo quỹ đạo đầy đủ của S301.

Frame-dragging là gì và tại sao nó lại quan trọng? Một khối lượng quay kéo cấu trúc không-thời gian xung quanh nó – tốc độ quay càng nhanh, lực kéo càng mạnh. Ở gần một hố đen quay, điều này làm thay đổi đường đi quỹ đạo của các vật thể ở gần theo cách phụ thuộc cả vào độ lớn lẫn hướng của vòng quay. Việc đo nó từ quỹ đạo của một ngôi sao cho phép đọc trực tiếp mômen động lượng của hố đen – điều mà chưa có phương pháp hiện tại nào đạt được cho Sagittarius A*.

S301 so sánh thế nào với các sao S khác gần Sgr A*? S2, sao S được nghiên cứu nhiều nhất, đạt điểm cận kề khoảng 100 đơn vị thiên văn trong chu kỳ 16 năm. S301 tiến gần hơn tám lần, trong 8,7 năm, với tốc độ cận điểm gấp ba lần. Sự kết hợp giữa độ gần và chu kỳ ngắn này khiến nó đặc biệt nhạy với hiệu ứng frame-dragging.

Điều này có thay đổi những gì chúng ta biết về hố đen của Ngân Hà không? Hiện tại, spin của Sagittarius A* chưa được xác định bằng phép đo trực tiếp. Việc xác định nó sẽ hoàn thiện mô tả vật lý cơ bản của hố đen trung tâm thiên hà chúng ta và mở ra các kiểm tra thuyết tương đối tổng quát trong môi trường quay trường mạnh mà quỹ đạo sao chưa từng tiếp cận trước đây.

Quan sát với GRAVITY+ sẽ tiếp tục qua nhiều chu kỳ quỹ đạo của S301. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng tuế sai do frame-dragging sẽ đạt đến mức có thể phát hiện trong vòng khoảng một thập kỷ – một mốc thời gian đủ ngắn để chính các thiết bị và nhóm đã tìm ra S301 có thể tự mình thực hiện phép đo spin.

Tham khảo: Mang và cộng sự, “S301: a new S star orbiting close to Sagittarius A*,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10894-w

Thẻ: black holes, Sagittarius A*, ESO, frame-dragging, S301