銀河系超高速恆星的起源：它們竟來自大麥哲倫星系?

文：娟娟

　　日前，娟娟介紹了萊登大學（Leiden University）的天文學家Elena Maria Rossi博士和她的同事，使用了基於機器學習技術的新的數據挖掘演算法，通過歐空局的蓋亞衛星，發現了6顆超高速恆星（hypervelocity star）。這些恆星的速度都超過了360 km/s，其中最快的一顆達到了530 km/s。

圖片：計算機藝術模擬圖，兩顆超高速恆星正加速從銀河系中心向邊緣穿行。

credit: ESA / CC BY-SA 3.0 IGO.

　　或許大家在看到這個消息時都會好奇，這些超高速恆星到底是怎樣產生的？是什麼賦予了它們如此快的速度？

　　一開始，天文學家們認為，這些超高速恆星很有可能是被盤踞在星系中的超大質量黑洞驅逐出了銀河系的中心。其他的情況，包括瓦解的矮星系，或者混亂的星團，都有可能讓這些恆星產生極快的速度。但是，這三種機制都無法解釋，為什麼僅在天空中某個特定的區域出現這種超高速恆星。

　　——到目前為止，大約只有20個超高速恆星被觀測到，其中的絕大多數都出現在北半球。當然，也並不排除未來會觀測到僅出現在南半球的超高速恆星。

　　劍橋大學天文研究所的博士生Douglas Boubert認為，之前有關超高速恆星的解釋並不能滿足他的好奇心，他說：「人們發現的超高速恆星主要出現在獅子座和六分儀座，我們想知道，為什麼事實是這樣的。」

　　關於銀河系超高速恆星的起源還有一種解釋，即它們可能是雙星系統（binary system）中出現的速逃星（runaways）。在雙星系統中，兩顆星之間距離越近，它們圍繞彼此運行的速度越快。如果其中一顆星以超新星的形式爆炸，那麼這個雙星系統就被打破了，剩下的那顆星就會以曾經的軌道速度飛離出去，這顆星就是速逃星。但是，這其中又存在一個問題，就是銀河系中產生的速逃星，其速度無法快到使它成為一顆超高速恆星。因為天文學家發現的超高速恆星都是藍色恆星（blue stars），而藍色恆星無法做到軌道距離足夠近卻不與雙星系統中的另一顆星合併。

圖片：哈勃太空望遠鏡拍攝到的速逃星，虛線箭頭表示其運動的方向。

IMAGE COURTESY J. WALSH AND Z. LEVAY, ESA/NASA

　　如何解答這些問題呢？

　　現在有了一個新的答案。這個答案已發表在《皇家天文學會月報》上（蓋亞衛星在銀河系發現6顆超高速恆星的論文亦發表在這份雜誌上）。來自劍橋大學的研究人員，使用了斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）的數據，並通過計算機模擬證明，銀河系的超高速恆星起源於大麥哲倫星系（Large Magellanic Cloud ，簡寫LMC）。論文的第一作者正是上文提到的Douglas Boubert。

圖片：大麥哲倫星系 Credit & Copyright: Yuri Beletsky (ESO)

　　在一眾繞著銀河系運行的矮星系中，大麥哲倫星系是最大和最快的。由於它的質量只有銀河系的十分之一，因此在這個矮星系中產生的最快的速逃星可以輕易逃離LMC的引力束縛。LMC以400千米/秒的速度繞著銀河系飛速運行，那麼，LMC中產生的速逃星，就像從一輛運行的火車中射出的子彈，其速度等於它們被彈射出去的速度加上LMC的速度。於是，兩相疊加使得它們足以成為超高速恆星。

　　「這些星星剛剛從特快列車上跳出來——難怪它們速度那麼快啦，」論文的合著者Rob Izzard說，「這也解釋了它們在天空中的位置，因為最快的速逃星是沿著LMC的軌道被踢到獅子座和六分儀座的。」

　　研究人員模擬了過去的20億年間LMC中恆星的誕生和死亡，並且記錄下了每一個速逃星。這些速逃星在被「踢出」LMC後，它們的軌道會進入第二輪模擬，這一輪模擬包含了LMC和銀河系的引力在內。這些模擬使得研究者們可以預測，我們能夠期待在天空中的什麼地方發現來自LMC的速逃星。

　　Boubert 說：「我們預測，有10,000顆速逃星分布在天空中。」這些模擬的LMC速逃星中有一半擁有足夠的速度可以逃離銀河系的引力。

　　巨大的藍色恆星（massive blue star）在走到生命的盡頭時會塌縮成中子星或者黑洞，速逃星也逃脫不了這樣的命運。模擬中的大部分速逃星都會在被「踢出」LMC後，在「飛行」的過程中走向死亡，在此過程中形成的中子星或黑洞將會繼續原來的旅程，基於此，研究人員們也同時預測了100萬個逃離的中子星或黑洞，飛越銀河。

　　怎樣驗證這樣的模擬是否正確？Boubert說：「很快，就能知道我們是否是正確的，」「明年，蓋亞衛星將發布數十億恆星的數據，在北部的獅子座、六分儀座與南部的大麥哲倫星系之間，應該會出現一串超高速恆星。」

　　相關論文地址：

　　https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/469/2/2151/3573852/Hypervelocity-runaways-from-the-Large-Magellanic?redirectedFrom=fulltext

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