奇怪的星星——超高速星是如何離開銀河系的？

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天文學家們已經發現幾十顆超高速星奔向宇宙深處

如果一個聯星系統離銀河系中央的超大質量黑洞太近，那麼黑洞的引力可能會捕獲其中的一顆恆星，把另外一顆以每小時100萬英里甚至更大的速度拋到銀暈。天文學家認為，這個情形可以基本解釋銀河系中的二十多顆超高速星的源起。

恆星們在銀河系的旋臂間交織穿行，如同交通高峰時期的車流。我們身處的銀河系大概有兩百萬億到四百萬億顆恆星，而其中的極小一部分熾熱的大質量恆星已成功地引起了科學家的注意。引力相互作用把他們加速到太陽運動速度的兩倍甚至三倍，這些超高速星比其他恆星跑得還快，註定會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動著，參與圍繞著銀河系中心的絕大多數恆星所參與的有序的運轉。但有少數派打破了這個局面，天文學家時常發現這些「叛逆者」飛離其所在的年輕的星團。

超高速星不斷刷新著速度極限。在過去的十年里，科學家們發現了幾十個速度狂魔，幾乎都是兩到五倍太陽質量的B型星，恆星表面溫度超過10,000 K。

大部分超高速星位於離銀心15萬光年的銀暈，速度超過1,100,000km/h，這樣的恆星能在20分鐘內從地球快速到達到月球，並能在一百萬年內穿越一光年。

根據計算，它們有足夠高的速度脫離銀河系引力的束縛。全新的地面觀測和空間技術將會發現更多類似的恆星，揭開他們的神秘面紗。

驚鴻一瞥

墨西哥洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的理論物理學家傑克·山 （Jack Hills）在1988年首次預言了超高速星的存在，但直到2005年，天文學家才發現了它們。哈佛史密松天體物理中心（The Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的沃倫·布朗 （Warren Brown）和他的同事們在觀測銀暈中暗藍色恆星時偶然發現了恆星SDSS J090745.0+024507，距離銀心3,500,000 光年，視向速度為2,420,000 km/h，從銀心出發抵達銀暈只需要一億四千萬年。

恆星SDSS J090745.0+024507

科學家們認為位於銀河系中央的超重黑洞人馬座A*（讀作「A-star」）加速了絕大多數超高速星。可是，除此之外呢？科學家很好奇，在這些恆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，進入銀河系。同時科學家也在思考另一種可能性，是否有一部分超高速星由緻密星團或超新星爆發產生呢？

布朗說，引力使這些恆星獲得了驚人的速度，對此可基本解釋為這是兩個聯星和一個黑洞組成一個三體系統，黑洞將捕獲其中一顆，同時將另外一顆以極高的速度向外拋開。

哈佛大學的理論天體物理學家艾維·勞埃博 （Avi Loeb）說「引力彈弓可能將的恆星以接近光速的速度發射出去，越來越遠，最終成為超高速星。雖然至今還沒有被觀測到它們，但通過建立模型，可以預言它們是存在的。」

史密松天體物理中心（CfA）的天文學家斯科特·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，但估計可能會有數百顆，質量在三到五倍太陽質量之間。我們利用分光技術來估計距離，得出它們在銀河系的位置，然後對比其視向速度和飛離銀河系的逃逸速度。」研究表明這些恆星會在數百萬年至十億年間離開銀河系。

B型主序星，還是別的什麼？

迄今為止，幾乎所有已知的超高速星都是B型主序星，處於恆星的青壯年時期，恆星內部的氫聚合生成氦，並釋放出能量。這些恆星的壽命不會超過數百萬年，不要指望在銀河系的邊緣看到它們了。

布朗說，「這些B型主序星不應該出現在這裡的。銀暈中不會有恆星形成，這是一塊沉寂的區域，分布著一些由老年恆星組成的球狀星團。銀暈中不會出現這樣高速度的B型主序星，除非它們是被彈射至此。」

但是超高速星就在這裡。以色列技術學院（Technion-Israel Institute of Technology）的天體物理學家哈加以·法勒斯 （Hagai Perets）說，對於這一點，最好的解釋就是，聯星系統和大質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現第一顆超高速星起已經過去了十年，然而全天內卻仍然缺少可用的數據。光在全波段傳播，天文學家可以通過測量給定恆星的光譜來確定它的視向速度。如果一個物體朝我們而來，譜線會向短波移動；相反，譜線會向長波移動。速度越快，光譜改變越明顯。

光譜法對於鄰近的恆星很奏效，但測量遠在銀暈的恆星卻很困難，就算用很大的望遠鏡，也不能彙集它們的光線。這就是為什麼德國埃爾朗根-紐倫堡大學（University of Erlangen-Nuremberg）的天文學家烏爾里奇·希伯 （Ulrich Heber）認為，可能會有低質量的超高速星正等待著人們發現。雖然這些小目標比B型主序星壽命更長，但它們的輻射也更微弱，難以被遠距離觀測到。儘管如此，它們也比觀測B型主序星暗淡的遺體——白矮星容易多了。

探索進行時

一旦科學家知道了一顆恆星的視向速度，就可以算出恆星相對於銀河系中心的速度。但是這還不夠，要想準確找到銀河系邊緣的超高速星是從銀核的哪個黑洞來的，還需要觀測者測定恆星垂直於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量。

天文學家通過觀測目標星體相對於背景星空的移動來測量其自行運動。例如對於超高速星來說，這意味著測量它相對於背景星系或類星體，這個測量過程往往需要幾年時間。

地面觀測只有每年5角秒的精確度，因此研究超高速星自行必須在空間中進行。歐洲航天局（ESA）的蓋亞任務（Gaia mission）參與了這項研究，這個天文台旨在測量恆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，蓋亞號宇宙飛船會提供已發現和待確認的超高速星自行的精確數據。

蓋亞號宇宙飛船

這項觀測計劃會在理論上幫助科學家確定恆星的來源。雖然研究人員認為大部分都起源於與人馬座A*的相互作用，但仍有可能是來源於河外星系。在銀河系的外圍有各種各樣的恆星流，銀河系中強大的潮汐力將一些矮星系撕扯成片，而這些恆星流通常被認為是這些星系的遺留物。又或者可能是銀河系的衛星星系大麥哲倫星雲（LMC）把他們投射到銀暈中。

布朗說道，「我們在大麥哲倫星雲附近發現了一顆非B型星HE 0437-5439，它可能來自大麥哲倫星雲，也可能來自銀河系。它正離我們遠去，我們不知道它會飛向何方。」假如這顆星來自大麥哲倫雲，它可能會為之前未被觀測到的中間質量黑洞製造超高速星提供證據。

大麥哲倫星雲，銀河系最大的衛星星系，可能是超高速星HE 0437-5439誕生的地方。它可能是被一個未觀測到的中間質量黑洞從一個年輕的星團中拋射了出來。

雖然資料顯示很不明確，布朗依然主張這顆星是聯星中的一顆被銀河系黑洞加速形成的。他設想了一個三體情況：一對緊密的聯星，另一顆相對遙遠。當他們靠近人馬座A*並為此付出了代價：超大質量黑洞的驚人引力破壞了三體系統，捕獲較遠的一顆，投射出其他兩顆，這兩顆依舊保持聯星狀態。

超高速星HE 0437-5439的起源撲朔迷離。一些科學家認為，它起源於包含一對雙星和一顆較遠的星的三體系統。

當三體系統靠近銀心，黑洞捕獲較遠的那顆，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。

最終合并成一個藍離散星。

當這對聯星衝出銀河系中央，其中質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，合并成一個更大的藍離散星。這很好地解釋了HE 0437-5439從B型主序星從銀河系中心出發經200,000光年跋涉到達現在的位置。此外，特殊的恆星會在很久前就離開主序帶。

由於距離遙遠，超高速星不容易在照片中看到， 他們的光太暗淡了。哈勃空間望遠鏡拍下這張HE 0437-5439（圖片中央），位於大麥哲倫星雲的劍魚座。

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，其他的過程會產生不同速度的不同種類的恆星。

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：銀河系潮汐力擾動的衛星星系，以及星團的發射。

希伯優先研究質量相對較小的恆星，它們會形成膨脹的紅巨星，內部反應消耗氦而不是氫。希伯說，「我們發現，大部分待確認的超高速星並非從星系中心發射出，我們急切地等待蓋亞的數據，讓我們更精確地確定他們的起源，可能是一個星系，一個星團，或者一個旋臂。

凱尼恩說，目前天文學家有兩個模型解釋超高速星的起源：黑洞模型和超新星爆發模型。在後者的情形中，雙星在軌道上緊密旋轉，但當質量稍高的恆星步入暮年，核心燃盡坍縮，形成超新星時，就會釋放出它的雙星夥伴。爆炸後的超新星既不會塌縮成中子星，也不會變成黑洞，另一顆主序星則會踏上自己獨立的旅程。這種事情隨處可見，無論是在年輕恆星的聚集地，還是年輕星雲的內部。

舉個例子，在2012年，科學家記錄到中子星RX J0822-4300的速度為2,400,000km/h。曾經的一場爆炸形成了現在的船底座，它是一個離地球七千光年的超新星遺迹，爆發地點在現今船底座的南部。這場超新星爆炸向宇宙中發射星際殘骸，科學家猜測這場爆炸並不對稱，因為別的超新星殘骸都是朝兩側反方向前進，而它形成的中子星卻都朝著同一個方向前進。

幾千年前，船尾座的一顆超新星爆發。不均勻的爆發將遺迹向同一方向發射，包括中子星TX J0822-430。這顆中子星以2,400,000 km/h的速度運動，此插圖顯示了超新星遺迹在1995年到2999年之間的移動。

糟糕的是，科學家估計，他們必須通過觀測到一萬顆正常坍縮的超新星來找到一個超高速星，並且他們不認為這種爆炸創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的速度運動。這個富含氦元素的恆星的光譜屬於O型，同時也是銀暈中最熾熱的一顆星。通過軌道判斷，它不太可能起源於銀心。

天文學家認為，它曾是的雙星系統的一部分，另一顆是大質量的白矮星，這顆白矮星質量接近於雙星系統負載的極限。US 708擴張成一顆紅巨星，伴隨著這種運動，US 708的外層被刨去，僅剩下炙熱的、燃燒氦的內核並開始向白矮星拋灑氦。越來越多的氦聚積在一起，點燃核聚變，導致了罕見的Ia型超新星爆發以及白矮星毀滅，並把US 708送入宇宙。

獅子座的驕傲

你可能會覺得超高速星時朝著四面八方任意散布的，但事實不是這樣。布朗說道，圍繞現在的觀測數據，最大的謎題之一就是，有一半數量的B型超高速星成群結隊地朝著獅子座的方向運動。希伯認為，這可能意味著黑洞拋射出超高速星時會傾向於某一個方向。這種情況可能會發生在被拋出的星星來自於黑洞周圍的星系盤。

不過也可能是缺少數據造成了成群結隊的假象。凱尼恩說，「我們沒有對全天做一個完整的測量，所以我們的統計數據時不準確的。」對南天的巡天數據會讓問題變得明晰。天文學家會對比南北天的不對稱情況，觀察獅子座對面的寶瓶座是否會有同樣多的超高速星。

澳大利亞的1.35米星圖望遠鏡（SkyMapper robotic telescope），歐南台在智利的2.6米VLT巡天望遠鏡（VLT Survey Telescope）和8.4米大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope, LSST）將會完成對超高速星在南天的搜尋。

一旦巡天完成，科學家可以利用超高速星研究銀河系不為人知的秘密。「超高速星在理論上軌跡應該是直線，但是銀河系被橢球形的暗物質包圍，暗物質的引力導致現在的軌跡偏離了初始的直線，軌跡偏離程度和方向取決於暗物質的形狀和朝向。

如果科學家能找到兩百顆左右分布在全天的超高速星，再精確測量它們軌道，我們就可以知道，他們從銀河系中部到邊緣的這一段路程，是怎樣的一個減速過程，並以此來確定暗物質暈究竟是球型，還是趨於分布在銀極。

凱尼恩說，理論上，如果超高速星是在全天不均勻分布，那麼通過它們的不對稱程度，我們就可以推測出銀河系中心及其內部膨脹的分布規律。

步入未來

現在的觀測技術只能發現亮度和質量都很大的超高速星。科學家通過亮度和顏色找出候選恆星，然後觀測它們是否正高速運動。為了將研究擴展進行到更小更暗弱的太陽型星，科學家需要LSST來觀測恆星顏色，以此篩選備選星，再用新一代大口徑望遠鏡獲得它們的光譜。最終蓋亞任務會提供精確數據來確定它們的起源，是銀河系的中心，恆星流，還是其它的地方？

這些太陽型星從主序帶進入紅巨星階段時就能夠被觀測到了，這一時期的恆星亮度使得他足以在銀暈甚至更遠的地方被發現。未來，全天紅外探測在空間探測中佔主導地位，比如NASA的廣域紅外線巡天探測衛星（Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE）和歐南台的歐幾里得衛星（Euclid），將有能力觀測進入暮年的超高速星。

千億年後，在銀河系外的太空中，超高速星可能是我們能觀測到的唯一的星體。隨著宇宙的演化，本星系群會合并成一個超大星系。考慮到被暗物質不斷加速的宇宙膨脹，本星系群外的所有星系都會從我們的視野消失。

正如布朗所寫的那樣，「可觀測宇宙中唯一的外星系光源來自於超高速星，因此它們可以作為測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超高速星的身影，這些恆星使用重力作為紐帶，與他們的起源建立暢通無阻的時空關係。

END

作者：布魯斯·多米尼 （Bruce Dorminey）

翻譯：凌安

校譯：廖振玄 雪思瑜

編排：邱煜欣

配樂：解仁江

責任編輯：解仁江

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地球上的黑洞

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