是谁发射了银河系中的“飞毛腿”？
Ray Jayawardhana　文　Shea　编译
	2003年至今，天文学家已经发现了16颗正在逃离银河系的恒星。银河系中心的黑洞可能是其背后的“元凶”。 　　有一些恒星正在银河系中加速，它们的方向是更为广袤的星系际空间。由于它们运动的速度实在太快，银河系的引力也无法“挽留”住它们。也就是在2003年，天文学家们才第一次发现了这些超高速的天体。然而几十年前理论家们就预言了它们的存在。 　　如果一个非常紧密的双星系统过于接近一个大质量黑洞的话，那么最终其中的一颗恒星会改绕这个黑洞旋转，而另一颗则会以每小时数百万千米的速度被抛射出去。1988年美国拉斯阿拉莫斯国家实验室的天文学家杰克·希尔斯（Jack Hills）提出，哪怕只要发现一颗来自银河系中心的超高速恒星，它也将会是证明那里存在一个大质量黑洞的决定性证据。 　　在这之后的15年里，天文学家们并没有花太多心思在这个想法上。而与此同时，有关银河系中心存在一个质量为太阳370万倍的超大质量黑洞的证据也在不断涌现。有两个天文学家小组极为仔细地测量了最靠近这个黑洞的一些恒星的轨道运动，由此得出了它的质量。 　　到2003年，有天文学家拓展了希尔斯的想法。他们估计了有关的抛射率，并且建议未来的的大视场成像巡天可以通过测量它们在天空中的运动来寻找这些超高速恒星。 太蓝，太快 　　沃伦·布朗（Warren Brown）是一位在美国哈佛史密松天体物理中心（CfA）工作的天文学家，2003年前他从来没听说过超高速恒星。他原来的计划是使用位于美国亚利桑那州霍普金斯山上的6.5米多镜面望远镜（MMT）来拍摄远离银盘的恒星的光谱。他预计这些天体都是已经演化到晚期的低质量恒星，在氢已经消耗完之后它们的核心正在燃烧氦。这些年老的恒星将帮助布朗了解银河系外晕中的质量分布。它们中的一些还有可能属于某些“星流”——卫星星系被银河系撕扯出的潮汐碎片——这本身就将会是一个有趣的发现。 　　就在布朗开始分析这些光谱的几个月之后，所观测的恒星中最蓝一颗——根据它在天空中的坐标这颗恒星被称为SDSS J090745.0+024507——引起了他的注意。它同时也是样本中运动得最快的一颗。这太奇怪了！ 　　每小时251万千米的高速使得它不太可能是布朗要寻找的那一类恒星，甚至也不太可能是从一个双星系统中被抛射出的恒星。更重要的是，以这个速度运动的恒星将会完全摆脱银河系的引力“魔掌”。布朗检索了以往的科学文献来为此寻找线索，发现了希尔斯和其他人的有关研究。他开始相信，只有来自一个超大质量黑洞的强大引力才能驱动它。 　　此外，这颗恒星的视向速度——它径直朝向或远离地球运动的速度——表明它几乎沿着和银河系中心相反的方向在向外运动。这颗恒星的组成和年龄也和它的这一发源地相一致。它含有丰富的重元素（被称为“金属”）说明其诞生于银河系中心附近的区域，而它大约8千万年的年龄也使得它有足够的时间运动到目前的位置。 　　布朗于2005年初公布了他偶然发现的第一超高速恒星。此后不久，他和他的同事就开始了以此为目标的搜寻工作。理论家们估计，银河系超过1千亿颗的恒星中超高速恒星大约只有1,000颗。为增大这一“大海捞针”成功的几率，他们把重心放在了使用斯隆数字巡天（SDSS）来寻找暗弱的蓝色恒星上。这些天体很可能十分遥远、年轻且具有较高的质量。他们小心翼翼地剔除了样本中过蓝的天体，因为它们极有可能是白矮星——恒星演化的残骸。不幸的是，他们计划在2005年夏天进行的首次观测由于霍普金斯山附近的森林大火而被迫取消。 　　与此同时，一个由德国埃尔兰根－纽伦堡大学的乌尔里希·黑贝尔（Ulrich Heber）所领导的欧洲天文学家小组报告发现了两颗超高速恒星，它们每一个的质量都要高于先前发现的首颗超高速恒星并且正在以大约每小时250万千米的速度远离我们。其中一个恒星所在的位置和自身的特点显示它可能来自银河系的中心。但另一颗则为天文学家们出了一道难题。当天文学家计算这颗恒星要多久才能从银河系中心运动到目前的位置时，他们发现所需的时间要超过这颗恒星的年龄3倍以上。要么这颗恒星比看上去的老，要么它肯定诞生于别处。有趣的是，这颗被称为HE 0457-5439的恒星非常靠近银河系的卫星星系之一——大麦哲伦云。 [图片说明]：和致密星团之间的相互作用也可以加速恒星。一些科学家认为HE 0437-5439有可能就是通过这种方式被“甩”出大麦哲伦云的。版权：ESO。 来自深处 　　在2005年12月的观测中，布朗的小组又发现了两颗其他的超高速恒星。并且在随后几年里，他们又陆续发现了更多。 　　现在，超高速恒星的总数已经达到16颗。随着数量的增加，它们的特殊性也与日俱增。例如，有关HE 0437-5439来自大麦哲伦星云的证据正在变得越来越确凿。最近对来自不同天文学家小组所获得的高分辨率光谱的分析显示，HE 0437-5439的化学元素丰度和大麦哲伦云中的恒星类似，而非银河系中心的恒星。由于目前还不知道大麦哲伦云中存在超大质量黑洞，一些科学家认为还存在其他机制能把恒星加速到如此高的速度。其中一种可能性就是和一个致密星团的动力学相互作用。 　　但是，布朗对此并不赞同。这颗恒星离开大麦哲伦云的速度达到了每小时360万千米。他认为，和星团的动力学作用做不到这一点，因此大麦哲伦云中也许存在一个数万个太阳质量的黑洞。但目前还没有其他与之独立的证据能证明这一点。 　　另一颗正在以高速从银河系逃逸的恒星HD 271791则是另一个难题。当天文学家回溯它的运动时，发现它很可能起源于银盘的边缘，而不是靠近银心的地方。此外，这颗恒星的光谱显示它仅含有极少量的铁，但却含有大量其他在超新星过程中所产生的元素。这一现象和它形成于银盘边缘的想法一致，因为在那里重元素丰度较低。由此天文学家得出的结论，HD 271791来自一个大质量的双星系统。其中另一颗恒星的超新星爆发瓦解了这个系统，并且以巨大的速度释放出了这颗伴星。 何处是我家？ 　　在16颗超高速恒星中有2颗似乎并不需要银河系中央黑洞来做为引擎。现在又有一些天文学家对剩下的其他恒星提出了新的疑问。他们指出，如果正如一些星系形成模型所预示的银河系的质量是以前认为的3倍，那么这些超高速恒星中仅有一颗具有足够能逃逸出银河系引力的速度。 　　这使得他们开始考虑能加速这些恒星的其他更平常的机制。特别地，在这剩下的14颗超高速恒星中有8颗正好都位于狮子座。根据这些天文学家的理论，它们都并非来自银河系。他们的计算机模拟结果表明，来自瓦解卫星系中的恒星会以高速穿行于银河系中。更重要的是，这些恒星会自然地形成一股很长的星流，因此在狮子座中看到的这8颗恒星就属于一个正好沿着我们视线延伸的星流。根据这些恒星的位置和速度，他们估计它们的母星系是在1～2亿年前被撕碎的。 　　布朗也承认，一些超高速恒星也许并非来自超大质量黑洞，而是被瓦解的卫星系。但他怀疑这一机制并不能适用于大多数的情况。他认为，最快的6颗超高速恒星几乎可以肯定来自银河系中心的超大质量黑洞。 　　未来的观测将能区分这两种理论，因为来自矮星系的恒星缺乏重元素，而来自银心的则正好相反。为此天文学家需要高分辨率光谱。但问题是，即使是使用目前最大望远镜上的高分辨分光仪，这些恒星绝大多数仍然过于暗弱。 　　这些恒星的绕转速度也许可以提供额外的线索——由希尔斯机制从双星系统中被抛射出的恒星由于潮汐它们的速度会减慢。其他情况下恒星的速度则会加快。但到目前为止，还没有确凿的证据。布朗和其他人也正在试图确定这些超高速恒星的三维运动情况，由此能更准确地确定它们的发源地。为此，天文学家就必须综合对这些恒星在天空中横向运动（即“自行”）的测量结果和从光谱中所得的它们的视向速度。 最高速度纪录保持者 　　尽管名字叫“超高速恒星”，但它们并不是银河系中运动得最快的天体。目前已经被确认的速度纪录保持者是一颗脉冲星——PSR B1508+55，它的速度达到了每小时400万千米。 　　脉冲星是快速旋转的中子星——大质量恒星超新星爆发所留下的超高密度坍缩核心。当从脉冲星磁极所发出的辐射扫过地球的时候，科学家们就能观测到射电“脉冲”。2006年，一个美国科学家小组使用由10架射电望远镜组成的阵列精确测量了PSR B1508+55的距离和速度。由此反溯出它的诞生地位于天鹅座中的一群大质量恒星中。这就意味着，在PSR B1508+55形成后的250万年里，从地球上看它已经横穿了三分之一的天空。 　　除此之外，还有两颗中子星也在竞争这一头衔。其中一颗是来自于船尾座A超新星遗迹的中子星RX J0822-4300。美国宇航局的钱德拉X射线天文台对其为期5年的观测表明，它正在以高速“逃离”发生于约3,700年前的爆炸中心。在假设它到地球的距离大致为7,000光年的前提下，两个天文学家小组测得它的速度在每小时400～600千米之间。不幸的是，这一距离假设还没有得到证实。 [图片说明]：大约3,700年前，一次超新星爆炸造就了船尾座A超新星遗迹。在这一爆发中所产生的中子星被抛射了出去，目前正在加速离开这一星云。放大图像所显示的是中子星RX J0822-4300从1999年12月至2005年4月所出现的显著位移。版权：“钱德拉”：NASA/CXC/Middlebury College/F.Winkler等人；ROSAT：NASA/GSFC/S.Snowden等人；可见光波段：NOAO/AURA/NSF/Middlebury College/F.Winkler等人。 　　来自壮观的吉他星云的脉冲星PSR B2224+65则是另一个竞争者。但由于它的距离也尚未确定，因此“连累”了它的速度。目前最好的估计值介于每小时290～580万千米之间。因此，目前PSR B1508+55还保有速度纪录，但在未来极有可能易主。一旦能更精确地确定吉他星云的距离，PSR B2224+65就有可能封王登顶。 　　对于这三颗中子星而言，超新星爆发是它们所拥有的极端速度的最佳解释。有越来越多的证据表明超新星爆发是不对称的，但到底是什么机制造成了这一不对称仍然是个谜。这可能涉及到流体力学或者是超高磁场下的某些物理过程。此外，天文学家还发现很难在目前的计算机数值模拟中产生偏向一侧的加速。而事实上超新星爆发所涉及的物理学和原子弹爆炸的相仿，因此超级计算机在这两个问题上都发挥着重要的作用。 　　在观测上，天文学家也许还错过了许多其他的高速中子星。大部分的脉冲星搜寻都是集中在银盘里进行的，因为那里是大多数脉冲星诞生的地方。但运动得最快的脉冲星极有可能已经离开了银道面，因此有必要扩大搜索的范围。兴许目前的搜寻有可能已经错失了一些速度最高的脉冲星。 被俘的兄弟姐妹？ 　　其他的线索则可能来自那些最靠近银河系中央黑洞转动的恒星。从20世纪90年代初以来，两个天文学家小组就一直在监视银心黑洞周围恒星的运动。这些恒星是否有可能是超高速恒星原先所在双星系统中的另一颗子星呢？天文学家的回答是，极有可能。 　　事实上，一些最靠近银心的恒星——被称为“S-恒星”——都具有非常长的椭圆轨道。这些轨道和它们源自双星与超大质量黑洞密近交会的结果一致。但是，那里的恒星也并非所有的都具有大椭圆轨道。不过这些圆轨道很有可能是原先的椭圆轨道和其他恒星以及恒星质量黑洞相互作用长期演化的结果。目前所观测到的S-恒星的数量和估计中的超高速恒星的数量相符，当然后者还存在很大的不确定性。因此，目前的观测证据确实倾向于超高速恒星和S-恒星原先属于同一个双星系统。 　　与此同时，布朗和其他人也正在寻找这一特殊恒星群体中的其他成员。天文学家还没有搜索过整个的南天天空。如果他们最终发现了较现在多得多的超高速恒星样本，那么这些恒星的位置和速度不仅可以指明它们的来源，还能帮助天文学家了解银河系外晕的形状和大小。
[Astronomy 2009年9月]

2001-2020火流星工作组制作


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