數十顆超速行星正急速飛往銀河系,真相究竟是什麼?

2020-12-25 騰訊網

如果一個星體系統離銀河系中央的超大質量黑洞太近,會是什麼景象呢?黑洞巨大的引力很可能會捕獲其中的一顆恆星。把另外的以每小時一百萬英裡甚至更大的速度拋走。雖然聽起來有點難以置信,但一些天文學家認為這個情形可以基本解釋銀河系中的二十多顆超高速星的源起。恆星們在銀河系的旋臂間交織穿行,如同交通高峰時期的車流。我們身處的銀河系大概有兩百萬億到四百萬億顆恆星,而其中的極小一部分熾熱的大質量恆星已成功地引起了科學家的注意,引力相互作用把他們加速到太陽運動速度的兩倍甚至三倍。

這些超高速星比其他恆星跑得還快,註定會掙脫銀河系引力的束縛奔向自由,我們的太陽系始終運動者,參與圍繞著銀河系中心的絕大多數恆星所參與的有序的運轉,但有少數派打破了這個局面。天文學家時常發現這些叛逆者飛離其所在的年輕的星團,超高速星不斷刷新著速度極限。在過去的十幾年裡,科學家們發現了幾十個速度狂魔,幾乎都是兩到五倍太陽質量的B型星。大部分超高速星位於離銀心15萬光年的銀暈,速度超過110萬千米每小時,這樣的恆星能在二十分鐘內從地球快速到達月球,並能在一百萬年內穿越一光年。根據計算他們有足夠高的速度脫離銀河系引力的束縛。

全新的地面觀測和空間技術將會發現更多類似的恆星,揭開它們的神秘面紗。墨西哥洛斯阿拉莫斯國家實驗室的理論物理學家傑克山在1988年首次預言了超高速星的存在,但直到2005年,天文學家才發現了他們,哈佛史密松天體物理中心的沃倫布朗和他的同事們在觀測銀暈中暗藍色恆星時,偶然發現了恆星SDSS J090745.0+024507。距離銀心350萬光年,視向速度為二百四十二萬千米每小時。從銀心出發抵達銀暈,只需要一億四千萬年。科學家們認為,位於銀河系中央的超重黑洞人馬座A星加速了絕大多數超高速星。

可是,除此之外呢?科學家很好奇在這些恆星中是否存在星際闖入者,他們以同樣的方式離開河外星系,進入銀河系。同時科學家也在思考另一種可能性,是否有一部分超高速星由緻密星團或超新星爆發產生呢?天文學家認為引力使這些恆星獲得了驚人的速度,對此可基本解釋為這是兩個鄰星和一個黑洞組成的一個三體系統。黑洞將捕獲其中一個,同時將另外一個以極高的速度向外拋開。哈佛大學的理論天體物理學家表示,引力彈弓可能將恆星以接近光速的速度發射出去,越來越遠,最終成為超高速星。

雖然至今還沒有被觀測到它們,但通過建立模型可以預言他們是存在的。迄今為止,幾乎所有已知的超高速星都是B型主序星,處於恆星的青壯年時期,恆星內部的氫聚合生成氦,並釋放出能量。這些B型主序星不應該出現在這裡的,銀暈中不會有恆星形成。這是一塊沉寂的區域,分布著一些有老年恆星組成的球狀星團,銀暈中不會出現這樣高速度的B型主序星,除非他們是被彈射至此,天文學家通過測量給定恆星的光譜來確定它的視向速度。

如果一個物體朝我們而來,普線會向短波移動。相反普線會向長波移動,速度越快,光譜改變越明顯。當光譜法僅對於鄰近的恆星奏效,但測量遠在銀暈的恆星卻很困難,就算用很大的望遠鏡也不能匯集他們的光線。但當科學家知道了其中一顆恆星的視向速度就可以算出恆星相對於銀河系中心的速度,但要想準確找到銀河系邊緣的超高速星是從銀河的那個黑洞來的,還需要觀測者測定恆星垂直於視線方向的法向速度。

天文學家通過觀測目標星體相對於背景星空的移動來測量其自行運動,例如對於超高速星來說,這意味著測量它相對於背景星系或類星體,這個測量過程往往需要幾年時間。儘管超高速星的速度很快,他們每年只自行一毫角秒。歐洲航天局的蓋亞任務也參與了這項研究。這個天文臺旨在測量恆星的精確位置和視向速度可以將精確度提高到每年零點一毫角秒。未來的一到兩年內,蓋亞號宇宙飛船將會提供已發現和待確認的超高速星自行的精確數據。蓋亞號宇宙飛船這項觀測計劃會在理論上幫助科學家確定該恆星的來源。雖然研究人員認為大部分都起源於與人馬座A星的相互作用,但仍有可能是來源於河外星系。

在銀河系的外圍有各種各樣的恆星流。銀河系中強大的潮汐力將一些矮星系撕扯成片,而這些恆星流通常被認為是這些星系的遺留物,又或者可能是銀河系的衛星星系。大麥哲倫星雲把它們投射到銀暈中。而我們在大麥哲倫星雲附近發現一顆非B型星HE0437-5439,他可能來自大麥哲倫星雲,也可能來自銀河系,但他正離我們遠去,我們也不知道它會飛向何方。假如這顆星來自大麥哲倫雲,他可能會為之前未被觀測到的中間質量黑洞製造超高速星提供證據超高速星HE0437-5439的起源撲朔迷離。一些科學家認為,它起源於包含一對雙星和一顆較遠的星的三體系統。

當三體系統靠近銀心黑洞捕獲較遠的那個,把雙星拋射出形成超高速星,直到雙星中的一顆變成紅巨星之前,他們保持著雙星狀態,最終合併成一個藍離散星。當這對聯星衝出銀河系中央,其中質量較大的一顆最終形成紅巨星。隨著紅巨星的膨脹,兩顆星盤旋接近,合併成一個更大的藍離散星。這很好地解釋了HE0437-5439從B型主序星從銀河系中心出發,經二十萬光年跋涉到達現在的位置。此外特殊的恆星會在很久前就離開主序帶。在該研究團隊觀點中,由於距離遙遠超高速星不容易在照片中看到,他們的光太暗淡了,哈勃空間望遠鏡拍下這張HE0437-5439位於大麥哲倫星雲的劍魚座,其實也只有人馬座A星可以解釋速度最快的B型主序星的形成,其他的過程會產生不同速度的不同種類的恆星。

截至目前,天文學家已經有兩個模型解釋超高速星的起源:黑洞模型和超新星爆發模型。在後者的情形中,雙星在軌道上緊密旋轉,但當質量稍高的恆星步入暮年,核心燃盡坍縮,形成超新星時就會釋放出他的雙星夥伴。爆炸後的超新星既不會坍縮成中子星,也不會變成黑洞。另一顆主序星則會踏上自己獨立的旅程。這種事情隨處可見,無論是在年輕恆星的聚集地,還是年輕星雲的內部,也正如科學家所說的那樣,可觀測宇宙中唯一的外星系光源來自於超高速星,因此他們可以作為測量哈勃宇宙膨脹率的基本工具。我們本來廣闊的宇宙視野裡將只有少數超高速星的身影。這些恆星使用重力作為紐帶,與他們的起源建立暢通無阻的時空關係。

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