高速恒星如何逃离银河系

原文标题：How hight-speed stars escape the galaxy作者：Bruce Dorminey 原文来自：Astronomy   Posted：2017年3月刊编译：京晶   审校：数星星的猫 （编译版权所有，未经许可请勿转载）　　恒星在银河系的旋臂里随意穿梭，好似在高峰时段的车流中高速狂奔的汽车。但在抓拍的夜空图像中，这些明亮的恒星却像埃及的金字塔一般岿然不动。银河系大约有2至4千亿颗恒星，然而在它们之中只有极少数炽热、的大质量恒星举止反常。在引力的加速下，它们的运动速度比太阳的速度大了两倍、甚至三倍。这些所谓的超高速恒星飞奔着穿过银河系，其速度之快足以使它们摆脱银河系的引力束缚。
　　我们的太阳系以恒定的速度运动着，与绝大多数恒星一起围绕银河系的中心（银心）整齐有序地旋转着。但也有少数恒星快速运动着，打破了这一整体和谐的画面。天文学家常常发现这些“逃逸的恒星”正在从年轻的星团里跑出来。
　　超高速恒星把恒星的运动速度提升到了一个新高度。在过去的十年里，科学家已经发现了几十颗超高速恒星。它们几乎无一例外，全是光谱B型的明亮恒星，其质量介于2至5倍太阳质量，其表面温度超过1万开。
　　它们中的绝大多数位于距离银心15万光年的银河系外晕中，并以超过每小时110万公里的速度运动着。这样的速度让它们只需20分钟就能从地球飞奔到月球，还能在1百万年的时间里走过1千光年的距离。
　　根据逃逸速度的定义，这些恒星的高速运动最终都能使它们摆脱银河系的引力束缚。新出现的地面和空间观测技术很快就能找到更多的高速恒星，并让我们更细致地研究那些已知的高速恒星。
　　初次发现
　　新墨西哥州Los Alamos国家实验室的理论学家Jack Hills在1988年首次预言了超高速恒星的存在，但直到2005年，天文学家才找到了第一颗。哈佛-史密松天体物理研究中心（简称CfA）的Warren Brown与同事在观测银晕里的暗弱、蓝色恒星时，偶然发现了一颗编号SDSS J090745.0+024507的恒星。这颗恒星很特别，距离银心大约35万光年远，其径向速度（朝着远离银心的方向运动）达到每小时242万公里。它只用了1亿4千万年时间就从银心跑到了银河系的外晕。
　　理论学家认为人马座A（位于银心的超大质量黑洞）是绝大多数超高速恒星的加速器，但天文学家也想知道是否还有其它的高速恒星。这样的恒星进入银河系的方式与那些逃逸者离开银河系的方式一样。还有一些研究者想知道是否有超高速恒星从来致密的星团或者超新星爆发中跑出来。
　　引力把这些恒星加速到我们观测到的速度。对其加速过程的基本解释是一个双星系统和黑洞之间的“三体交换”，Brown说。黑洞捕获了双星系统中的一颗恒星，而把另一颗甩出了银河系。
　　“引力弹弓能把恒星以接近光速的极高速度抛出，”哈佛大学的理论天体物理学家Avi Loeb说。“这些恒星走过漫漫长途，最终成为了超高速恒星。虽然我们还没观测到它们，但我们能预测不同速度的恒星数目。”
　　CfA的天文学家Scott Kenyon说，目前还不清楚银河系里到底有多少颗超高速恒星。他估计可能有几百颗3至5倍太阳质量的超高速恒星。“我们使用光谱技术计算出它们的距离，由此得到它们在银河系中的位置，”他说，“然后，我们把它们的径向速度与银河系的逃逸速度进行比较，”这些恒星无一例外都能在几亿至几十亿年内逃出银河系。

　　超高速恒星HE0437-5439身世复杂。有天文学家认为它来自于一个三星系统。这个系统由一个紧密的双星系统和一颗在外围运动的单身恒星构成（图1）。当这个三星系统靠近银心的黑洞时，黑洞捕获了那个单身的恒星，并把双星系统以极高的速度抛了出去（2）。被甩出来的那一对恒星继续演化，直至其中一颗成为了红巨星。这两个伙伴越转越近（3），最终合二为一，并合成一颗“蓝离散星”（4）。（图片来源：ASTRONOMY:ROEN KELLY）
　　B型恒星，是耶？非耶？
　　到目前为止，几乎所有已知的超高速恒星都是位于恒星演化主序带上的光谱B型恒星。在恒星生命的这个阶段，恒星依靠其核心处的氢聚变成氦产生能量。由于这类恒星的寿命不超过几亿年，所以它们不会出现在银河系的外围。
　　“这些B型恒星不该出现在那里，”Brown说。“银河系的外晕没有恒星形成。那里死气沉沉，只有球状星团和年老的、缺乏金属的小质量恒星。你根本不会期望在外晕里看到一颗高速运动着的B型恒星，除非它是被踢到那儿去的。”
　　但它们确实在那儿。对此最好的解释是一个双星系统冒险跑到大质量黑洞身边去了，以色列海法市以色列理工学院的Hagai Perets说。黑洞捕获了系统中的一颗恒星，使它在椭率很大的轨道上运动，而把另一颗恒星甩了出去，成为了一颗超高速恒星。
　　自Brown与同事发现第一颗这样的恒星已经过去了十年，但我们在全天范围内找到的超高速恒星仍然寥寥无几。天文学家能够通过恒星的光谱测量其径向速度。如果一个物体正向我们奔来，它的谱线会移动到更短的波长上去；如果它正离我们远去，谱线就会向更长的波长移动。这个运动速度越大，谱线移动的距离就越大。
　　这样的光谱分析法对近邻的恒星来说是比较直接的测量方法，但对于遥远外晕里的恒星来说就困难多了。即使是大口径的望远镜也无法收集足够的星光。这就是为什么德国埃尔兰根-纽伦堡大学的天文学家Ulrich Heber会认为可能仍有几颗小质量超高速恒星有待发现。虽然这些小恒星比它们的B型同类活得更久，但它们发出的光却比后者少得多，所以，在非常远的距离无法看到。然而，与B型恒星的残骸——更暗弱的白矮星相比，它们还是要容易观测多了。
　　飞奔的恒星
　　一旦天文学家测量出恒星的径向速度（从地球看去），他们就能计算它相对于银心的运动速度。但这还只讲了故事的一半。为了把在银河系外围任意游走的恒星与理论给出的源头——银心的超大质量黑洞联系起来，天文学家还必须测量恒星沿垂直于视线方向的运动——自行。自行速度要比径向速度更难测得准。
　　天文学家根据观测天体的位置相对于更远处的背景天体移动了多少来测量它的自行速度。对一颗超高速恒星来说，这意味着要花数年时间去测量它相对于背景星系或者类星体的运动。
　　超高速恒星虽然跑得飞快，但它们的自行速度不超过每年1毫角秒。（1毫角秒等于0.000000005度，相当于一枚10美分硬币在3700公里远处看上去的大小。）
　　地面巡天观测的精度只有每年5毫角秒，因此，必须到太空里去研究超高速恒星的自行。欧洲空间局（简称ESA）的Gaia任务正适合做这件事。这个从事天体测量的天文台就是为了测量约十亿颗恒星的精确位置和径向速度而设计的。它测量的自行速度的精度控制在每年0.1毫角秒以内。在未来一或两年，Gaia应该能为我们提供已知的超高速恒星及新候选者的高精度自行速度。
　　从理论上讲，这些观测能帮助天文学家更加确定这些恒星的源头。虽然研究者们认为，它们大多源于与人马座A的相互作用，但他们也在争论是否还有银河系外的源头。也许，潮汐力撕裂了一个矮星系，把一群恒星拉入银河系。有些超高速恒星就是跟着这股星流跑到了银河系的外晕里。也或许是银河系的卫星星系——大麦哲伦云——把一些恒星抛到了银河系的外晕里去的。
　　“在大麦哲伦云附近有一颗不受银河系束缚的B型恒星HE 0437-5439。它既有可能来自于大麦哲伦云，也有可能来自于银河系，”Brown说。HE 0437-5439正在离我们而去，我们不知道它是否会转回头来，还是朝着大麦哲伦云跑去：“如果它来自于大麦哲伦云，那就可能是一个前所未知的中等质量黑洞以极高的速度把它甩出来的。”

　　超高速恒星不像是光产生的假象，因为它们由于距离远而显得暗弱。哈勃空间望远镜在大麦哲伦云附近的剑鱼座拍摄到HE0437-5439（图中心的天体）。（图片来源：NASA/ESA/0.GNEDIN (UNIVERSITYOrMICHIGANVW.BOOWNIHARVARD-5MITHSONIANCIA)
　　虽然它的源头仍是一个谜，但Brown认为这颗恒星是一个被抛出银河系的双星系统的成员。他的解释是这样的：一个紧密的双星系统与一颗稍远的单身恒星互相绕转，构成一个三星系统。人马座A凭借颇具破坏力的引力捕获了它们，这三颗恒星为此付出了代价。超大质量黑洞俘获了靠外的那个单身成员，把另外两个（仍是一个完好的双星系统）踢了出去。
　　在被抛出银心的过程中，这对儿恒星中质量较大的那颗最终演化成了红巨星。随着红巨星不断膨胀，两颗恒星越绕越近，最后并合形成一个体型更大的“蓝离散星”。HE 0437-5439的这个延迟的形成过程是让一颗B型主序恒星跑到它当前的位置（距离银心大约20万光年）的最好的办法。若非如此，这颗特别的恒星在很久以前就该完成主序阶段的演化了。

　　大麦哲伦云是银河系最大的卫星星系。超高速恒星HE 0437-5439可能就来自于那里。如果真是如此，它可能是被一个前所未知的中等质量黑洞从一个年轻的星团里给踢出来的。（图片来源：ESO）
　　“只有人马座A能够解释运动速度最快的B型超高速恒星，”Brown说。“其它机制则甩出速度各异的、不同光谱类型的恒星。”
　　古怪的恒星
　　Heber就研究过几个这样的特例。他从中得出结论，认为宇宙自有一种办法来产生超高速恒星，并不只依赖于星系里的超大质量黑洞。他提出的其它几种机制包括银河系的潮汐力撕裂卫星星系、双超新星，还有从星团里被抛出来。
　　Heber偏爱研究演化成红巨星的小质量恒星。这类恒星在其核心进行着氦燃烧而非氢燃烧。“我们发现我们的候选者们绝大多数不太可能来自于银心，”Heber说。“我们急切地等待着Gaia的天体测量结果。它们能让我们更准确地追踪这些恒星的运动轨迹，好回溯其源头。这个源头可能是一股恒星流、一个星团或者一条旋臂。”
　　Kenyon说，天文学家现在已经建立起两个超高速恒星的形成模型：一个是双星系统因为太过靠近黑洞而被后者撕裂；另一个是超新星爆发撕裂双星系统。在第二个模型里，双星系统的两个恒星成员紧密地彼此绕转。当质量偏大的那个成员走到生命的尽头时，它的核心开始坍缩，引起一次超新星爆发。这场爆发让它的小质量伴星获得了自由。超新星爆发后留下的残骸（要么是中子星，要么是黑洞）和之前处于主序状态的伴星从此分道扬镳。这个机制可以解释四处游荡（包括在年轻星团里游荡）的年轻恒星的来源。
　　中子星RX J0822-4300就是一个最好的例子。2012年，天文学家注意到它正以每小时240万公里的速度运动着。与地球相距约7000光年的船尾座A是南半天球船尾座里的一个超新星遗迹。正是那次超新星爆发把RX J0822-4300踢到了现在的运动轨道上。天文学家认为，这场超新星爆发是一次单方向的、不对称的爆发。中子星向着一个方向飞奔，超新星遗迹则向着与其相反的方向运动。

　　几千年前，船尾座里发生了一次超新星爆发。不对称的爆炸冲击波把超新星遗迹推向一边，把核坍缩形成的中子星RX J0822-4300推向了另一边。现在，这颗中子星正以每小时240万公里的速度运动着。图中插图显示了它在1999年至2005年的运动轨迹。（图片来源：CHANDRA: NASA/CXC/MIDDLEBURY COLLEGE/F. WINKLER ET AL.;ROSAT:NASA/GSFC/S.SNOWDEN ET AL.;OPTICAL:NOAO/CTIO/MIDDLEBURY COLLEGE/F. WINKLER ET AL.）
　　不走运的是，天文学家估计他们需要观测约一万颗核坍缩超新星，才能找到一颗超高速恒星。然而，科学家们并不认为这样的爆发都能产生超高速恒星。
　　US708就是一个合适的例子。它是目前已知跑得最快的超高速恒星，其运动速度高达每小时430万公里。这颗恒星富含氦，光谱型为O型，还是银晕中已知最炽热的恒星之一。根据它的运动轨道，几乎可以肯定它不是从银心跑出来的。
　　天文学家认为它曾是一个超级紧密的双星系统的成员。它的伴星是一颗大质量白矮星，其质量已经接近白矮星的质量上限了。当US708演化成一颗红巨星后，它把自己的大部分氢壳层传输给了白矮星伙伴，最终引发了一次Ia型超新星爆发（从统计上讲，这种爆发事件并不多见）。这场爆发使US708成为了一颗超高速恒星。
　　傲娇的狮子座
　　你可能认为超高速恒星在全天呈随机分布，但事实并非如此。Brown说目前的观测发现的最大的谜题之一就是有一半的B型超高速恒星聚集在狮子座周围。Heber认为这可能意味着银心是沿着一个特定的方向把它们甩出来的。他说，如果被甩出来的恒星来自于超大质量黑洞周围的恒星盘，就会产生这种现象。
　　但是，超高速恒星的抱团儿现象也可能只是缺少观测数据造成的。“我们还没有对全天展开巡查，”Kenyon说，“所以，我们看到的可能只是侥幸出现的统计结果。”对南半天球的观测应该可以澄清这个问题。尤其是天文学家可以借此研究超高速恒星在北半天球和南半天球的分布是否不对称，看看是否会在水瓶座（在北半天球正对狮子座的星座）周围找到同样多的超高速恒星。
　　新的巡天观测将使用澳大利亚的1.35米口径天空测绘者望远镜（SkyMapper）、欧洲南方天文台在智利的2.6米口径甚大望远镜和智利正在建造的8.4米口径全天巡视望远镜（Large Synoptic Survey Telescope， 简称LSST），来完成南半天球的超高速恒星搜寻工作。
　　这些巡天完成后，天文学家就可以开始利用超高速恒星研究银河系的其它性质了。“（B型）超高速恒星因为来自于银心，它们的运动轨迹应该是向外的直线，”Brown说。“然而，理论学家认为，银河系被一团（足球形状的）暗物质晕包裹着。”
　　这意味着超高速恒星当前的运动轨迹会因为受到暗物质的引力拉扯而偏离直线路径，他说。轨迹偏离直线的程度以及朝哪个方向偏则取决于暗物质晕的形状和朝向。
　　Kenyon说，如果天文学家能够在全天找到大约200颗超高速恒星，他们就能精确测量出它们的运动轨迹。这些轨迹能够告诉我们，超高速恒星在从银心跑到暗物质晕的过程中是如何减速的。然后，科学家们可以利用不同天区里超高速恒星的减速情况，来了解暗物质晕的形状究竟是偏圆一些，还是在银河系的两极偏扁平一些。
　　从原则上讲，Kenyon说，如果超高速恒星在全天呈不均匀分布，这种不对称的程度还能告诉我们在银心和银河系核球内部物质分布的不对称性。
　　未来展望
　　然而，受当前技术的限制，科学家只能观测到最明亮，也就是质量最大的超高速恒星。天文学家根据恒星的亮度和颜色证认候选者，然后为它们拍摄光谱，看看它们是否正在做高速运动。为了观测质量更小、更暗弱的、类似太阳的恒星，科学家将使用LSST依据颜色来挑选超高速恒星，然后借助下一代极大口径的望远镜来拍摄它们的光谱。最后，Gaia将提供精确的天体测量数据，帮忙确认它们的源头究竟是银心、恒星流还是其它什么地方。
　　这些类似太阳的恒星一旦离开氢燃烧的主序阶段，演化成红巨星，就能被观测到了。彼时，它们已经足够明亮，在整个银晕、甚至更远处都能被观测到。未来在太空展开的红外波段全天巡测，例如NASA的大视场红外巡天望远镜（Wide-Field Infrared Survey Telescope）和ESA的欧几里得空间望远镜将能探测到这些年老的超高速恒星。
　　几千亿年后，超高速恒星或许是银河系外我们能够观测到的唯一天体了。待宇宙演化到那时，本星系群里的所有星系将并合形成一个巨型星系。如果宇宙在无情的暗能量的推动下，仍继续加速膨胀，本星系群外面的所有星系就会消失在我们的视野中。
　　正如Brown写道的：“在可观测的宇宙里，银河系外的唯一光源将是被踢出银河系的超高速恒星。”因此，这些超高速恒星可能成为测量宇宙膨胀的主要工具：“我们对宇宙整体的观测将缩减到那些为数不多、完全摆脱宿主星系的引力束缚，因而在时空中恣意穿梭的超高速恒星身上!”