烧脑！超高速星正飞离银河系，它想干什么？

王兴

来源：太空联盟微信公众号

2017年03月06日

天文学家们已经发现几十颗超高速星奔向宇宙深处

　　听我把话说完啊。

　　如果一个联星系统离银河系中央的超大质量黑洞太近，那么黑洞的引力可能会捕获其中的一颗恒星，把另外一颗以每小时100万英里甚至更大的速度抛到银晕。天文学家认为，这个情形可以基本解释银河系中的二十多颗超高速星的源起。

　　恒星们在银河系的旋臂间交织穿行，如同交通高峰时期的车流。我们身处的银河系大概有两百万亿到四百万亿颗恒星，而其中的极小一部分炽热的大质量恒星已成功地引起了科学家的注意。引力相互作用把他们加速到太阳运动速度的两倍甚至三倍，这些超高速星比其他恒星跑得还快，注定会挣脱银河系引力的束缚，奔向自由。

　　我们身处的太阳系始终运动着，参与围绕着银河系中心的绝大多数恒星所参与的有序的运转。但有少数派打破了这个局面，天文学家时常发现这些“叛逆者”飞离其所在的年轻的星团。

　　超高速星不断刷新着速度极限。在过去的十年里，科学家们发现了几十个速度狂魔，几乎都是两到五倍太阳质量的B型星，恒星表面温度超过10，000 K。

　　大部分超高速星位于离银心15万光年的银晕，速度超过1，100，000km/h，这样的恒星能在20分钟内从地球快速到达到月球，并能在一百万年内穿越一光年。

　　根据计算，它们有足够高的速度脱离银河系引力的束缚。全新的地面观测和空间技术将会发现更多类似的恒星，揭开他们的神秘面纱。


　　惊鸿一瞥

　　墨西哥洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的理论物理学家杰克·山 （Jack Hills）在1988年首次预言了超高速星的存在，但直到2005年，天文学家才发现了它们。哈佛史密松天体物理中心（The Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的沃伦·布朗 （Warren Brown）和他的同事们在观测银晕中暗蓝色恒星时偶然发现了恒星SDSS J090745.0+024507，距离银心3，500，000 光年，视向速度为2，420，000 km/h，从银心出发抵达银晕只需要一亿四千万年。


恒星SDSS J090745.0+024507

　　科学家们认为位于银河系中央的超重黑洞人马座A*（读作“A-star”）加速了绝大多数超高速星。可是，除此之外呢？科学家很好奇，在这些恒星中是否存在星际闯入者，它们以同样的方式离开河外星系，进入银河系。同时科学家也在思考另一种可能性，是否有一部分超高速星由致密星团或超新星爆发产生呢？

　　布朗说，引力使这些恒星获得了惊人的速度，对此可基本解释为这是两个联星和一个黑洞组成一个三体系统，黑洞将捕获其中一颗，同时将另外一颗以极高的速度向外抛开。

　　哈佛大学的理论天体物理学家艾维·劳埃博 （Avi Loeb）说“引力弹弓可能将的恒星以接近光速的速度发射出去，越来越远，最终成为超高速星。虽然至今还没有被观测到它们，但通过建立模型，可以预言它们是存在的。”

　　史密松天体物理中心（CfA）的天文学家斯科特·凯尼恩 （Scott Kenyon）说，“我们还不清楚在银河系中究竟有多少超高速星，但估计可能会有数百颗，质量在三到五倍太阳质量之间。我们利用分光技术来估计距离，得出它们在银河系的位置，然后对比其视向速度和飞离银河系的逃逸速度。”研究表明这些恒星会在数百万年至十亿年间离开银河系。

　　B型主序星，还是别的什么？

　　迄今为止，几乎所有已知的超高速星都是B型主序星，处于恒星的青壮年时期，恒星内部的氢聚合生成氦，并释放出能量。这些恒星的寿命不会超过数百万年，不要指望在银河系的边缘看到它们了。

　　布朗说，“这些B型主序星不应该出现在这里的。银晕中不会有恒星形成，这是一块沉寂的区域，分布着一些由老年恒星组成的球状星团。银晕中不会出现这样高速度的B型主序星，除非它们是被弹射至此。”

　　但是超高速星就在这里。以色列技术学院（Technion-Israel Institute of Technology）的天体物理学家哈加以·法勒斯 （Hagai Perets）说，对于这一点，最好的解释就是，联星系统和大质量黑洞的距离太近了。黑洞将其中一颗拉入偏心轨道，剩下的一颗就是被抛出的超高速星。

　　自布朗和他的同事们发现第一颗超高速星起已经过去了十年，然而全天内却仍然缺少可用的数据。光在全波段传播，天文学家可以通过测量给定恒星的光谱来确定它的视向速度。如果一个物体朝我们而来，谱线会向短波移动；相反，谱线会向长波移动。速度越快，光谱改变越明显。

　　光谱法对于邻近的恒星很奏效，但测量远在银晕的恒星却很困难，就算用很大的望远镜，也不能汇集它们的光线。这就是为什么德国埃尔朗根-纽伦堡大学（University of Erlangen-Nuremberg）的天文学家乌尔里奇·希伯 （Ulrich Heber）认为，可能会有低质量的超高速星正等待着人们发现。虽然这些小目标比B型主序星寿命更长，但它们的辐射也更微弱，难以被远距离观测到。尽管如此，它们也比观测B型主序星暗淡的遗体——白矮星容易多了。

　　探索进行时

　　一旦科学家知道了一颗恒星的视向速度，就可以算出恒星相对于银河系中心的速度。但是这还不够，要想准确找到银河系边缘的超高速星是从银核的哪个黑洞来的，还需要观测者测定恒星垂直于视线方向的法向速度。所谓的自行速度甚至比视向速度更难以精确测量。

　　天文学家通过观测目标星体相对于背景星空的移动来测量其自行运动。例如对于超高速星来说，这意味着测量它相对于背景星系或类星体，这个测量过程往往需要几年时间。

　　尽管超高速星的速度很快，它们每年只自行1毫角秒。（1毫角秒等于0.000000005°，或者3，700千米外一角硬币的大小。）

　　地面观测只有每年5角秒的精确度，因此研究超高速星自行必须在空间中进行。欧洲航天局（ESA）的盖亚任务（Gaia mission）参与了这项研究，这个天文台旨在测量恒星的精确位置和视向速度，可以将精确度提高到每年0.1毫角秒。未来的一到两年内，盖亚号宇宙飞船会提供已发现和待确认的超高速星自行的精确数据。


盖亚号宇宙飞船

　　这项观测计划会在理论上帮助科学家确定恒星的来源。虽然研究人员认为大部分都起源于与人马座A*的相互作用，但仍有可能是来源于河外星系。在银河系的外围有各种各样的恒星流，银河系中强大的潮汐力将一些矮星系撕扯成片，而这些恒星流通常被认为是这些星系的遗留物。又或者可能是银河系的卫星星系大麦哲伦星云（LMC）把他们投射到银晕中。

　　布朗说道，“我们在大麦哲伦星云附近发现了一颗非B型星HE 0437-5439，它可能来自大麦哲伦星云，也可能来自银河系。它正离我们远去，我们不知道它会飞向何方。”假如这颗星来自大麦哲伦云，它可能会为之前未被观测到的中间质量黑洞制造超高速星提供证据。


大麦哲伦星云，银河系最大的卫星星系，可能是超高速星HE 0437-5439诞生的地方。它可能是被一个未观测到的中间质量黑洞从一个年轻的星团中抛射了出来。

　　虽然资料显示很不明确，布朗依然主张这颗星是联星中的一颗被银河系黑洞加速形成的。他设想了一个三体情况：一对紧密的联星，另一颗相对遥远。当他们靠近人马座A*并为此付出了代价：超大质量黑洞的惊人引力破坏了三体系统，捕获较远的一颗，投射出其他两颗，这两颗依旧保持联星状态。


超高速星HE 0437-5439的起源扑朔迷离。一些科学家认为，它起源于包含一对双星和一颗较远的星的三体系统。

当三体系统靠近银心，黑洞捕获较远的那颗，把双星抛射出，形成超高速星。

直到双星中的一颗变成红巨星之前，他们保持着双星状态。

最终合并成一个蓝离散星。 最终合并成一个蓝离散星。

　　当这对联星冲出银河系中央，其中质量较大的一颗最终形成红巨星。随着红巨星的膨胀，两颗星盘旋接近，合并成一个更大的蓝离散星。这很好地解释了HE 0437-5439从B型主序星从银河系中心出发经200，000光年跋涉到达现在的位置。此外，特殊的恒星会在很久前就离开主序带。


由于距离遥远，超高速星不容易在照片中看到， 他们的光太暗淡了。哈勃空间望远镜拍下这张HE 0437-5439（图片中央），位于大麦哲伦星云的剑鱼座。

　　布朗说，只有人马座A*可以解释速度最快的B型主序星的形成，其他的过程会产生不同速度的不同种类的恒星。

　　奇怪的星星

　　希伯主要研究一些特殊的情况。他推断，形成超高速星的方法不止黑洞一种，还可能有两种情况：银河系潮汐力扰动的卫星星系，以及星团的发射。

　　希伯优先研究质量相对较小的恒星，它们会形成膨胀的红巨星，内部反应消耗氦而不是氢。希伯说，“我们发现，大部分待确认的超高速星并非从星系中心发射出，我们急切地等待盖亚的数据，让我们更精确地确定他们的起源，可能是一个星系，一个星团，或者一个旋臂。

　　凯尼恩说，目前天文学家有两个模型解释超高速星的起源：黑洞模型和超新星爆发模型。在后者的情形中，双星在轨道上紧密旋转，但当质量稍高的恒星步入暮年，核心燃尽坍缩，形成超新星时，就会释放出它的双星伙伴。爆炸后的超新星既不会塌缩成中子星，也不会变成黑洞，另一颗主序星则会踏上自己独立的旅程。这种事情随处可见，无论是在年轻恒星的聚集地，还是年轻星云的内部。

　　举个例子，在2012年，科学家记录到中子星RX J0822-4300的速度为2，400，000km/h。曾经的一场爆炸形成了现在的船底座，它是一个离地球七千光年的超新星遗迹，爆发地点在现今船底座的南部。这场超新星爆炸向宇宙中发射星际残骸，科学家猜测这场爆炸并不对称，因为别的超新星残骸都是朝两侧反方向前进，而它形成的中子星却都朝着同一个方向前进。


几千年前，船尾座的一颗超新星爆发。不均匀的爆发将遗迹向同一方向发射，包括中子星TX J0822-430。这颗中子星以2，400，000 km/h的速度运动，此插图显示了超新星遗迹在1995年到2999年之间的移动。

　　糟糕的是，科学家估计，他们必须通过观测到一万颗正常坍缩的超新星来找到一个超高速星，并且他们不认为这种爆炸创造出了所有的超高速星。

　　我们所知道的最快的超高速星US 708以4，300，000 km/h的速度运动。这个富含氦元素的恒星的光谱属于O型，同时也是银晕中最炽热的一颗星。通过轨道判断，它不太可能起源于银心。

　　天文学家认为，它曾是的双星系统的一部分，另一颗是大质量的白矮星，这颗白矮星质量接近于双星系统负载的极限。US 708扩张成一颗红巨星，伴随着这种运动，US 708的外层被刨去，仅剩下炙热的、燃烧氦的内核并开始向白矮星抛洒氦。越来越多的氦聚积在一起，点燃核聚变，导致了罕见的Ia型超新星爆发以及白矮星毁灭，并把US 708送入宇宙。



　　狮子座的骄傲

　　你可能会觉得超高速星时朝着四面八方任意散布的，但事实不是这样。布朗说道，围绕现在的观测数据，最大的谜题之一就是，有一半数量的B型超高速星成群结队地朝着狮子座的方向运动。希伯认为，这可能意味着黑洞抛射出超高速星时会倾向于某一个方向。这种情况可能会发生在被抛出的星星来自于黑洞周围的星系盘。

　　不过也可能是缺少数据造成了成群结队的假象。凯尼恩说，“我们没有对全天做一个完整的测量，所以我们的统计数据时不准确的。”对南天的巡天数据会让问题变得明晰。天文学家会对比南北天的不对称情况，观察狮子座对面的宝瓶座是否会有同样多的超高速星。

　　澳大利亚的1.35米星图望远镜（SkyMapper robotic telescope），欧南台在智利的2.6米VLT巡天望远镜（VLT Survey Telescope）和8.4米大型综合巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope， LSST）将会完成对超高速星在南天的搜寻。

　　一旦巡天完成，科学家可以利用超高速星研究银河系不为人知的秘密。“超高速星在理论上轨迹应该是直线，但是银河系被椭球形的暗物质包围，暗物质的引力导致现在的轨迹偏离了初始的直线，轨迹偏离程度和方向取决于暗物质的形状和朝向。

　　如果科学家能找到两百颗左右分布在全天的超高速星，再精确测量它们轨道，我们就可以知道，他们从银河系中部到边缘的这一段路程，是怎样的一个减速过程，并以此来确定暗物质晕究竟是球型，还是趋于分布在银极。

　　凯尼恩说，理论上，如果超高速星是在全天不均匀分布，那么通过它们的不对称程度，我们就可以推测出银河系中心及其内部膨胀的分布规律。

　　步入未来


　　现在的观测技术只能发现亮度和质量都很大的超高速星。科学家通过亮度和颜色找出候选恒星，然后观测它们是否正高速运动。为了将研究扩展进行到更小更暗弱的太阳型星，科学家需要LSST来观测恒星颜色，以此筛选备选星，再用新一代大口径望远镜获得它们的光谱。最终盖亚任务会提供精确数据来确定它们的起源，是银河系的中心，恒星流，还是其它的地方？

　　这些太阳型星从主序带进入红巨星阶段时就能够被观测到了，这一时期的恒星亮度使得他足以在银晕甚至更远的地方被发现。未来，全天红外探测在空间探测中占主导地位，比如NASA的广域红外线巡天探测卫星（Wide-field Infrared Survey Explorer， WISE）和欧南台的欧几里得卫星（Euclid），将有能力观测进入暮年的超高速星。

　　千亿年后，在银河系外的太空中，超高速星可能是我们能观测到的唯一的星体。随着宇宙的演化，本星系群会合并成一个超大星系。考虑到被暗物质不断加速的宇宙膨胀，本星系群外的所有星系都会从我们的视野消失。

　　正如布朗所写的那样，“可观测宇宙中唯一的外星系光源来自于超高速星，因此它们可以作为测量哈勃宇宙膨胀率的基本工具。”我们本来广阔的宇宙视野里将只有少数超高速星的身影，这些恒星使用重力作为纽带，与他们的起源建立畅通无阻的时空关系。