12.21 最快的恆星有多快?它從哪裡來?到哪裡去?

天文學家發現了一顆有史以來在銀河系中觀測到的運動最快的主序星。它正在以驚人的1700公里每秒的速度飛離銀河系中心。

這也使得它成為天文學家可以確定為由銀河系中心被甩出的恆星,它可能由於和一個超級黑洞的相互作用而被彈出,即大人馬座A*(Sgr A*)中的黑洞。(後續文章中舉例這個黑洞又被稱為中等質量的黑洞)

最快的恆星有多快?它從哪裡來?到哪裡去?

圖解:位於M87中心的超大質量黑洞,推估質量達太陽的數十億倍。這是人類史上第一張直接對黑洞觀測的天文影像,由事件視界望遠鏡所拍攝,發表於2019年4月10日。

‘事實上,我們發現這顆恆星是個意外’麥考瑞大學的天文學家丹尼爾·朱克對科學預警雜誌說。

‘我們當時正在進行一次稱為S5的測繪。。。觀測被銀河系的潮汐力拉扯碎的星團和矮星系形成的恆星流中的恆星。’

根據朱克的說法,恆星的光譜可以告訴我們它們的溫度,成分,年齡以及它們朝向或遠離我們運行的速度(即視向速度)。

‘作為一個附屬項目,卡內基·梅隆大學的謝爾蓋·科波索夫教授對S5 測繪所得到的光譜進行分析,尋找其中高視向速度的恆星;他驚訝地發現他命名為S5-HVS1的這顆恆星正在以超過1000公里/秒的速度遠離我們!’

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圖解:大麥哲倫雲面前的黑洞(中心)的模擬視圖。請注意引力透鏡效應,從而產生兩個放大,以星雲最高處扭曲的視野。銀河系星盤出現在頂部,扭曲成一個弧形。

後續的觀測和計算證實了這一結果,並得到了難以置信的1700公里/秒的速度。

S5-HVS1非常值得研究。它是一顆主序星,即星核仍在進行氫核聚變的‘活著’的恆星;事實上,它還很年輕,約5億年,而他的生命週期被估計為10億年。

這是一顆質量約為太陽的2.35倍,正在明亮地發光的A類恆星。這使得它稱為了這類飛奔的恆星,也被稱為極高速恆星或HSV中古怪的一員。

因為根據2015年的一項研究,天文學家在主序星中所觀測到的HSV大部分為O類和B類恆星:這類恆星熾熱,巨大且短命,通常壽命不會超過幾千萬年。

極高速恆星中也有‘死亡’了的恆星,即中子星。在S5-HSV1之前的速度紀錄保持者RX J0822-4300在2006年被計算出的速度超過了1500公里/秒。

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這項研究認為,S5-HVS1的速度可能遠低於之前的計算值,但無論如何,運行速度更快的死亡恆星於去年被觀測到:有兩顆白矮星的速度達到了2200公里每秒。

但對於極高速的死亡恆星,它們有比較明確的形成原因:當一顆瀕死的恆星變為超新星,其爆炸可能是不對稱的,使得恆星向一個方向獲得驚人的速度。對那兩顆白矮星來說,人們認為兩顆恆星對向地爆炸為它們的形成原因。

在S5-HVS1被發現之前(它的速度還需要進一步審查和證實),US708是當前銀河系中所知的,不可置疑的最快的主序星,它的運行速度為1200公里每小時。US708是一顆O類恆星,S5-HVS1的發現打破了它的紀錄。

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但如果沒有爆炸的作用,主序星是如何達到如此之高的速度呢?這是黑洞的作用出現的時候了。

天文學家認為,迄今為止發現的極高速主序星可能是三恆星系統中恆星相互作用的結果,並且其中一顆恆星是黑洞,其他兩顆為雙星系統的恆星。

‘三恆星系統中恆星和黑洞的相互作用將不可避免地把恆星拋出星系,’哈佛史密森天文物理中心的天文學家沃倫·布朗在2015年寫道。

‘由於恆星的體積是有限的,只有一個大質量、高密度的物體可以與恆星作用並將其加速到1000公里每小時。’

S5-HVS1距離地球大約29000光年,以它移動的速度,可以得出它在約4800萬年前在一股強大的力的作用下脫離了銀河系中心。

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‘我們推算出的S5-HVS1的軌道模型中,它的初始速度和它當前運行的速度非常接近-大約為1800公里每小時,’朱克說道。

‘使它加速到這個速度需要約6×10^42焦耳的動能轉換-舉個例子,相同的能量將足夠使地球加速到0.997倍光速!’

自那開始,它便一直在飛速地穿越太空-但它如何得到高速的真正原因還不很清楚。

根據文獻,這樣的三恆星作用的出現需要一顆恆星質量較小,小於太陽的質量,同時與S5-HVS1短暫地處於雙星軌道上-約3-40天。

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雖然這樣的雙星系統非常罕見,但仍是有可能的。幾百萬年前的吸積事件可能觸發了銀河系中心的恆星的形成,並形成了S5-HVS1雙星系統。它的軌跡神奇地能夠與這些恆星盤連接,這也表明了它是自那裡形成的。

‘基本的原理是(也被稱為希爾斯機制)是當一個雙星系統(兩顆恆星互相環繞彼此)接近一個超大質量黑洞,其中一顆恆星被黑洞的引力捕獲,’朱克解釋道。

‘當被捕獲的恆星進入環繞黑洞的軌道時,另一顆將被以高速拋入太空中-當黑洞的質量為太陽的幾百萬倍時,被拋出的恆星的速度可以達到1000公里每秒或更高。’

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但還存在其它的S5-HSV1的形成方式,比如銀河系中心的一箇中等質量的黑洞在幾百萬年前融入大人馬座A*時。其運動停止的最後階段產生的動態摩擦可能將一些恆星拋離銀河系中心

雖然這些事件都還幾乎沒有證據,它們還是可以以找尋其它和S5-HVS1在同一時間段被拋出的極高速恆星的方式來被研究。

關於恆星,我們還有更多的知識需要探索。2021年末將會有新的蓋亞數據發佈-一項以史上最高精度和細節繪製銀河系三維地圖的項目。

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圖解: 人馬座A*(中央)與兩個光回波(圈內)

‘進一步對恆星的觀察,特別是下一期蓋亞數據的發佈,將使得我們可以以更高的精度測算恆星的三維位置和速度,從而更好地測算軌道模型。這將使我們能精確地找到恆星來源的位置。’朱克說道

‘此外,更多的HVS的發現將給我們一些銀河系中心的活動的概念,並使我們更好地理解銀河系和形狀與物質分佈。’

相關知識延伸閱讀

恆星運動學是研究恆星的運動但無須瞭解它們如何獲得運動原因的學門。這不同於恆星動力學,它必須考慮到引力的效應。一顆恆星相對於太陽的運動,可以提供有用的資訊,包括恆星的來源和年齡,以及所繞行星系的結構和演化。

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圖解:這4顆速逃星如犁田般的通過密集的星際氣體區域產生弓形波和伴隨著明亮氣體的尾跡。美國國家航空航天局使用哈伯太空望遠鏡的先進巡天相機在2005年10月至2006年8月發現14顆年輕速逃星。

在天文學,已經廣泛的接受恆星誕生於被稱為恆星育嬰室的分子云內。在這樣的雲氣內形成的恆星會組成有數打至數千顆恆星的疏散星團。這種星團會隨著時間而潰散,分離的恆星將聚集成為另一種稱為星協的恆星集團。如果這些殘餘的恆星通過一些相干的組合在星系中共同漂流,它們就會被稱為移動星群。

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. sciencealert- MICHELLE STARR-然

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