來源：太空聯(lián)盟微信公眾號(hào)
天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾十顆超高速星奔向宇宙深處
聽我把話說完啊。
如果一個(gè)聯(lián)星系統(tǒng)離銀河系中央的超大質(zhì)量黑洞太近，那么黑洞的引力可能會(huì)捕獲其中的一顆恒星，把另外一顆以每小時(shí)100萬英里甚至更大的速度拋到銀暈。天文學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)情形可以基本解釋銀河系中的二十多顆超高速星的源起。
恒星們?cè)阢y河系的旋臂間交織穿行，如同交通高峰時(shí)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恒星，而其中的極小一部分熾熱的大質(zhì)量恒星已成功地引起了科學(xué)家的注意。引力相互作用把他們加速到太陽運(yùn)動(dòng)速度的兩倍甚至三倍，這些超高速星比其他恒星跑得還快，注定會(huì)掙脫銀河系引力的束縛，奔向自由。
我們身處的太陽系始終運(yùn)動(dòng)著，參與圍繞著銀河系中心的絕大多數(shù)恒星所參與的有序的運(yùn)轉(zhuǎn)。但有少數(shù)派打破了這個(gè)局面，天文學(xué)家時(shí)常發(fā)現(xiàn)這些“叛逆者”飛離其所在的年輕的星團(tuán)。
超高速星不斷刷新著速度極限。在過去的十年里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)速度狂魔，幾乎都是兩到五倍太陽質(zhì)量的B型星，恒星表面溫度超過10，000 K。
大部分超高速星位于離銀心15萬光年的銀暈，速度超過1，100，000km/h，這樣的恒星能在20分鐘內(nèi)從地球快速到達(dá)到月球，并能在一百萬年內(nèi)穿越一光年。
根據(jù)計(jì)算，它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(cè)和空間技術(shù)將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多類似的恒星，揭開他們的神秘面紗。
驚鴻一瞥
墨西哥洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）的理論物理學(xué)家杰克·山（Jack Hills）在1988年首次預(yù)言了超高速星的存在，但直到2005年，天文學(xué)家才發(fā)現(xiàn)了它們。哈佛史密松天體物理中心（The Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的沃倫·布朗 （Warren Brown）和他的同事們?cè)谟^測(cè)銀暈中暗藍(lán)色恒星時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了恒星SDSS J090745.0+024507，距離銀心3，500，000 光年，視向速度為2，420，000 km/h，從銀心出發(fā)抵達(dá)銀暈只需要一億四千萬年。
恒星SDSS J090745.0+024507
科學(xué)家們認(rèn)為位于銀河系中央的超重黑洞人馬座A*（讀作“A-star”）加速了絕大多數(shù)超高速星。可是，除此之外呢？科學(xué)家很好奇，在這些恒星中是否存在星際闖入者，它們以同樣的方式離開河外星系，進(jìn)入銀河系。同時(shí)科學(xué)家也在思考另一種可能性，是否有一部分超高速星由致密星團(tuán)或超新星爆發(fā)產(chǎn)生呢？
布朗說，引力使這些恒星獲得了驚人的速度，對(duì)此可基本解釋為這是兩個(gè)聯(lián)星和一個(gè)黑洞組成一個(gè)三體系統(tǒng)，黑洞將捕獲其中一顆，同時(shí)將另外一顆以極高的速度向外拋開。
哈佛大學(xué)的理論天體物理學(xué)家艾維·勞埃博 （Avi Loeb）說“引力彈弓可能將的恒星以接近光速的速度發(fā)射出去，越來越遠(yuǎn)，最終成為超高速星。雖然至今還沒有被觀測(cè)到它們，但通過建立模型，可以預(yù)言它們是存在的?！?/p>
史密松天體物理中心（CfA）的天文學(xué)家斯科特·凱尼恩 （Scott Kenyon）說，“我們還不清楚在銀河系中究竟有多少超高速星，但估計(jì)可能會(huì)有數(shù)百顆，質(zhì)量在三到五倍太陽質(zhì)量之間。我們利用分光技術(shù)來估計(jì)距離，得出它們?cè)阢y河系的位置，然后對(duì)比其視向速度和飛離銀河系的逃逸速度。”研究表明這些恒星會(huì)在數(shù)百萬年至十億年間離開銀河系。
B型主序星，還是別的什么？
迄今為止，幾乎所有已知的超高速星都是B型主序星，處于恒星的青壯年時(shí)期，恒星內(nèi)部的氫聚合生成氦，并釋放出能量。這些恒星的壽命不會(huì)超過數(shù)百萬年，不要指望在銀河系的邊緣看到它們了。
布朗說，“這些B型主序星不應(yīng)該出現(xiàn)在這里的。銀暈中不會(huì)有恒星形成，這是一塊沉寂的區(qū)域，分布著一些由老年恒星組成的球狀星團(tuán)。銀暈中不會(huì)出現(xiàn)這樣高速度的B型主序星，除非它們是被彈射至此?！?/p>
但是超高速星就在這里。以色列技術(shù)學(xué)院（Technion-Israel Institute of Technology）的天體物理學(xué)家哈加以·法勒斯 （Hagai Perets）說，對(duì)于這一點(diǎn)，最好的解釋就是，聯(lián)星系統(tǒng)和大質(zhì)量黑洞的距離太近了。黑洞將其中一顆拉入偏心軌道，剩下的一顆就是被拋出的超高速星。
自布朗和他的同事們發(fā)現(xiàn)第一顆超高速星起已經(jīng)過去了十年，然而全天內(nèi)卻仍然缺少可用的數(shù)據(jù)。光在全波段傳播，天文學(xué)家可以通過測(cè)量給定恒星的光譜來確定它的視向速度。如果一個(gè)物體朝我們而來，譜線會(huì)向短波移動(dòng)；相反，譜線會(huì)向長(zhǎng)波移動(dòng)。速度越快，光譜改變?cè)矫黠@。
光譜法對(duì)于鄰近的恒星很奏效，但測(cè)量遠(yuǎn)在銀暈的恒星卻很困難，就算用很大的望遠(yuǎn)鏡，也不能匯集它們的光線。這就是為什么德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)（University of Erlangen-Nuremberg）的天文學(xué)家烏爾里奇·希伯 （Ulrich Heber）認(rèn)為，可能會(huì)有低質(zhì)量的超高速星正等待著人們發(fā)現(xiàn)。雖然這些小目標(biāo)比B型主序星壽命更長(zhǎng)，但它們的輻射也更微弱，難以被遠(yuǎn)距離觀測(cè)到。盡管如此，它們也比觀測(cè)B型主序星暗淡的遺體——白矮星容易多了。
探索進(jìn)行時(shí)
一旦科學(xué)家知道了一顆恒星的視向速度，就可以算出恒星相對(duì)于銀河系中心的速度。但是這還不夠，要想準(zhǔn)確找到銀河系邊緣的超高速星是從銀核的哪個(gè)黑洞來的，還需要觀測(cè)者測(cè)定恒星垂直于視線方向的法向速度。所謂的自行速度甚至比視向速度更難以精確測(cè)量。
天文學(xué)家通過觀測(cè)目標(biāo)星體相對(duì)于背景星空的移動(dòng)來測(cè)量其自行運(yùn)動(dòng)。例如對(duì)于超高速星來說，這意味著測(cè)量它相對(duì)于背景星系或類星體，這個(gè)測(cè)量過程往往需要幾年時(shí)間。
盡管超高速星的速度很快，它們每年只自行1毫角秒。（1毫角秒等于0.000000005°，或者3，700千米外一角硬幣的大小。）
地面觀測(cè)只有每年5角秒的精確度，因此研究超高速星自行必須在空間中進(jìn)行。歐洲航天局（ESA）的蓋亞任務(wù)（Gaia mission）參與了這項(xiàng)研究，這個(gè)天文臺(tái)旨在測(cè)量恒星的精確位置和視向速度，可以將精確度提高到每年0.1毫角秒。未來的一到兩年內(nèi)，蓋亞號(hào)宇宙飛船會(huì)提供已發(fā)現(xiàn)和待確認(rèn)的超高速星自行的精確數(shù)據(jù)。
蓋亞號(hào)宇宙飛船
這項(xiàng)觀測(cè)計(jì)劃會(huì)在理論上幫助科學(xué)家確定恒星的來源。雖然研究人員認(rèn)為大部分都起源于與人馬座A*的相互作用，但仍有可能是來源于河外星系。在銀河系的外圍有各種各樣的恒星流，銀河系中強(qiáng)大的潮汐力將一些矮星系撕扯成片，而這些恒星流通常被認(rèn)為是這些星系的遺留物。又或者可能是銀河系的衛(wèi)星星系大麥哲倫星云（LMC）把他們投射到銀暈中。
布朗說道，“我們?cè)诖篼溦軅愋窃聘浇l(fā)現(xiàn)了一顆非B型星HE 0437-5439，它可能來自大麥哲倫星云，也可能來自銀河系。它正離我們遠(yuǎn)去，我們不知道它會(huì)飛向何方。”假如這顆星來自大麥哲倫云，它可能會(huì)為之前未被觀測(cè)到的中間質(zhì)量黑洞制造超高速星提供證據(jù)。
大麥哲倫星云，銀河系最大的衛(wèi)星星系，可能是超高速星HE 0437-5439誕生的地方。它可能是被一個(gè)未觀測(cè)到的中間質(zhì)量黑洞從一個(gè)年輕的星團(tuán)中拋射了出來。
雖然資料顯示很不明確，布朗依然主張這顆星是聯(lián)星中的一顆被銀河系黑洞加速形成的。他設(shè)想了一個(gè)三體情況：一對(duì)緊密的聯(lián)星，另一顆相對(duì)遙遠(yuǎn)。當(dāng)他們靠近人馬座A*并為此付出了代價(jià)：超大質(zhì)量黑洞的驚人引力破壞了三體系統(tǒng)，捕獲較遠(yuǎn)的一顆，投射出其他兩顆，這兩顆依舊保持聯(lián)星狀態(tài)。
超高速星HE 0437-5439的起源撲朔迷離。一些科學(xué)家認(rèn)為，它起源于包含一對(duì)雙星和一顆較遠(yuǎn)的星的三體系統(tǒng)。
當(dāng)三體系統(tǒng)靠近銀心，黑洞捕獲較遠(yuǎn)的那顆，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(tài)。
最終合并成一個(gè)藍(lán)離散星。
當(dāng)這對(duì)聯(lián)星沖出銀河系中央，其中質(zhì)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，合并成一個(gè)更大的藍(lán)離散星。這很好地解釋了HE 0437-5439從B型主序星從銀河系中心出發(fā)經(jīng)200，000光年跋涉到達(dá)現(xiàn)在的位置。此外，特殊的恒星會(huì)在很久前就離開主序帶。
由于距離遙遠(yuǎn)，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(yuǎn)鏡拍下這張HE 0437-5439（圖片中央），位于大麥哲倫星云的劍魚座。
布朗說，只有人馬座A*可以解釋速度最快的B型主序星的形成，其他的過程會(huì)產(chǎn)生不同速度的不同種類的恒星。
奇怪的星星
希伯主要研究一些特殊的情況。他推斷，形成超高速星的方法不止黑洞一種，還可能有兩種情況：銀河系潮汐力擾動(dòng)的衛(wèi)星星系，以及星團(tuán)的發(fā)射。
希伯優(yōu)先研究質(zhì)量相對(duì)較小的恒星，它們會(huì)形成膨脹的紅巨星，內(nèi)部反應(yīng)消耗氦而不是氫。希伯說，“我們發(fā)現(xiàn)，大部分待確認(rèn)的超高速星并非從星系中心發(fā)射出，我們急切地等待蓋亞的數(shù)據(jù)，讓我們更精確地確定他們的起源，可能是一個(gè)星系，一個(gè)星團(tuán)，或者一個(gè)旋臂。
凱尼恩說，目前天文學(xué)家有兩個(gè)模型解釋超高速星的起源：黑洞模型和超新星爆發(fā)模型。在后者的情形中，雙星在軌道上緊密旋轉(zhuǎn)，但當(dāng)質(zhì)量稍高的恒星步入暮年，核心燃盡坍縮，形成超新星時(shí)，就會(huì)釋放出它的雙星伙伴。爆炸后的超新星既不會(huì)塌縮成中子星，也不會(huì)變成黑洞，另一顆主序星則會(huì)踏上自己獨(dú)立的旅程。這種事情隨處可見，無論是在年輕恒星的聚集地，還是年輕星云的內(nèi)部。
舉個(gè)例子，在2012年，科學(xué)家記錄到中子星RX J0822-4300的速度為2，400，000km/h。曾經(jīng)的一場(chǎng)爆炸形成了現(xiàn)在的船底座，它是一個(gè)離地球七千光年的超新星遺跡，爆發(fā)地點(diǎn)在現(xiàn)今船底座的南部。這場(chǎng)超新星爆炸向宇宙中發(fā)射星際殘骸，科學(xué)家猜測(cè)這場(chǎng)爆炸并不對(duì)稱，因?yàn)閯e的超新星殘骸都是朝兩側(cè)反方向前進(jìn)，而它形成的中子星卻都朝著同一個(gè)方向前進(jìn)。
幾千年前，船尾座的一顆超新星爆發(fā)。不均勻的爆發(fā)將遺跡向同一方向發(fā)射，包括中子星TX J0822-430。這顆中子星以2，400，000 km/h的速度運(yùn)動(dòng)，此插圖顯示了超新星遺跡在1995年到2999年之間的移動(dòng)。
糟糕的是，科學(xué)家估計(jì)，他們必須通過觀測(cè)到一萬顆正常坍縮的超新星來找到一個(gè)超高速星，并且他們不認(rèn)為這種爆炸創(chuàng)造出了所有的超高速星。
我們所知道的最快的超高速星US 708以4，300，000 km/h的速度運(yùn)動(dòng)。這個(gè)富含氦元素的恒星的光譜屬于O型，同時(shí)也是銀暈中最熾熱的一顆星。通過軌道判斷，它不太可能起源于銀心。
天文學(xué)家認(rèn)為，它曾是的雙星系統(tǒng)的一部分，另一顆是大質(zhì)量的白矮星，這顆白矮星質(zhì)量接近于雙星系統(tǒng)負(fù)載的極限。US 708擴(kuò)張成一顆紅巨星，伴隨著這種運(yùn)動(dòng)，US 708的外層被刨去，僅剩下炙熱的、燃燒氦的內(nèi)核并開始向白矮星拋灑氦。越來越多的氦聚積在一起，點(diǎn)燃核聚變，導(dǎo)致了罕見的Ia型超新星爆發(fā)以及白矮星毀滅，并把US 708送入宇宙。
獅子座的驕傲
你可能會(huì)覺得超高速星時(shí)朝著四面八方任意散布的，但事實(shí)不是這樣。布朗說道，圍繞現(xiàn)在的觀測(cè)數(shù)據(jù)，最大的謎題之一就是，有一半數(shù)量的B型超高速星成群結(jié)隊(duì)地朝著獅子座的方向運(yùn)動(dòng)。希伯認(rèn)為，這可能意味著黑洞拋射出超高速星時(shí)會(huì)傾向于某一個(gè)方向。這種情況可能會(huì)發(fā)生在被拋出的星星來自于黑洞周圍的星系盤。
不過也可能是缺少數(shù)據(jù)造成了成群結(jié)隊(duì)的假象。凱尼恩說，“我們沒有對(duì)全天做一個(gè)完整的測(cè)量，所以我們的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)不準(zhǔn)確的?！睂?duì)南天的巡天數(shù)據(jù)會(huì)讓問題變得明晰。天文學(xué)家會(huì)對(duì)比南北天的不對(duì)稱情況，觀察獅子座對(duì)面的寶瓶座是否會(huì)有同樣多的超高速星。
澳大利亞的1.35米星圖望遠(yuǎn)鏡（SkyMapper robotic telescope），歐南臺(tái)在智利的2.6米VLT巡天望遠(yuǎn)鏡（VLT Survey Telescope）和8.4米大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（Large Synoptic Survey Telescope， LSST）將會(huì)完成對(duì)超高速星在南天的搜尋。
一旦巡天完成，科學(xué)家可以利用超高速星研究銀河系不為人知的秘密?！俺咚傩窃诶碚撋宪壽E應(yīng)該是直線，但是銀河系被橢球形的暗物質(zhì)包圍，暗物質(zhì)的引力導(dǎo)致現(xiàn)在的軌跡偏離了初始的直線，軌跡偏離程度和方向取決于暗物質(zhì)的形狀和朝向。
如果科學(xué)家能找到兩百顆左右分布在全天的超高速星，再精確測(cè)量它們軌道，我們就可以知道，他們從銀河系中部到邊緣的這一段路程，是怎樣的一個(gè)減速過程，并以此來確定暗物質(zhì)暈究竟是球型，還是趨于分布在銀極。
凱尼恩說，理論上，如果超高速星是在全天不均勻分布，那么通過它們的不對(duì)稱程度，我們就可以推測(cè)出銀河系中心及其內(nèi)部膨脹的分布規(guī)律。
步入未來
現(xiàn)在的觀測(cè)技術(shù)只能發(fā)現(xiàn)亮度和質(zhì)量都很大的超高速星?？茖W(xué)家通過亮度和顏色找出候選恒星，然后觀測(cè)它們是否正高速運(yùn)動(dòng)。為了將研究擴(kuò)展進(jìn)行到更小更暗弱的太陽型星，科學(xué)家需要LSST來觀測(cè)恒星顏色，以此篩選備選星，再用新一代大口徑望遠(yuǎn)鏡獲得它們的光譜。最終蓋亞任務(wù)會(huì)提供精確數(shù)據(jù)來確定它們的起源，是銀河系的中心，恒星流，還是其它的地方？
這些太陽型星從主序帶進(jìn)入紅巨星階段時(shí)就能夠被觀測(cè)到了，這一時(shí)期的恒星亮度使得他足以在銀暈甚至更遠(yuǎn)的地方被發(fā)現(xiàn)。未來，全天紅外探測(cè)在空間探測(cè)中占主導(dǎo)地位，比如NASA的廣域紅外線巡天探測(cè)衛(wèi)星（Wide-field Infrared Survey Explorer， WISE）和歐南臺(tái)的歐幾里得衛(wèi)星（Euclid），將有能力觀測(cè)進(jìn)入暮年的超高速星。
千億年后，在銀河系外的太空中，超高速星可能是我們能觀測(cè)到的唯一的星體。隨著宇宙的演化，本星系群會(huì)合并成一個(gè)超大星系?？紤]到被暗物質(zhì)不斷加速的宇宙膨脹，本星系群外的所有星系都會(huì)從我們的視野消失。
正如布朗所寫的那樣，“可觀測(cè)宇宙中唯一的外星系光源來自于超高速星，因此它們可以作為測(cè)量哈勃宇宙膨脹率的基本工具。”我們本來廣闊的宇宙視野里將只有少數(shù)超高速星的身影，這些恒星使用重力作為紐帶，與他們的起源建立暢通無阻的時(shí)空關(guān)系。
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