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銀河系中一路狂飆的“博爾特”

來源:光明網責任編輯:安思翰
2021-01-08 10:23

數以千億計的恆星生活在我們的銀河系中,它們無時無刻不在“奔跑”。科學家們常常會想:這些恆星到底會跑多快?它們中也會有“博爾特”嗎?

恆星中的“博爾特”

圖1:超高速星“逃離”銀河系想象圖(圖源:網絡)

銀河系中還真的有“博爾特”,它們就是高速星,是一種“跑”得很快的恆星。

對於恆星,多高的速度算快呢?

大多數恆星的速度是每秒幾十至一百多公里,明顯高於這個速度就算“跑”得很快。已發現的高速星中,速度至少是每秒400至450公里,有的甚至高達每秒1700公里。

高中物理知識告訴我們,超過第二宇宙速度(每秒11.2公里)將擺脱地球的“控制”,超過第三宇宙速度(每秒16.7公里)將擺脱太陽的“束縛”,離開太陽系。

圖2:三大宇宙速度示意圖(圖源:網絡)

你可能會想,高速星每秒幾百甚至一千多公里的速度,能夠逃脱銀河系的“如來佛掌”嗎?這是個很重要的問題,解答它需要知道銀河系的“逃逸速度”。類似於前面提到的第二和第三宇宙速度,“逃逸速度”是恆星逃離銀河系所需要的最小速度。研究發現,太陽附近的“逃逸速度”大約為每秒500至600公里。

如此看來,絕大多數已發現的高速星都無法從銀河系“逃跑”,它們如同被如來佛祖攥在手心裏的悟空師兄一樣,被命運牽絆,無法來一場率性而為説走就走的“旅行”。只有少數幸運兒,能夠少一些束縛,飛向更遠更廣闊的星際世界。

就是這麼快

近日,嫦娥五號探測器攜約1.73公斤月球土壤歸來,雙子座流星雨也如期而至,這無疑是庚子年末最博人眼球的天文熱點事件。

圖3:嫦娥五號順利升空(圖源:維基百科)

圖4:國家天文台興隆觀測站星空上演的流星雨,圖中建築為郭守敬望遠鏡(圖源:袁鳳芳)

讓我們腦洞大開試着想象一下:如果嫦娥五號和流星雨像高速星一樣“跑”得快,會發生什麼呢?

假如嫦娥五號每秒跑幾百甚至上千公里,別説月亮,就是太陽系也“攔不住”它,這種狀況下“登月着陸”、“月球土樣提取”和“返回地球”的任務根本無法實現,嫦娥五號將帶着遺憾逃離太陽甚至銀河系。

流星的發光時間一般為1到2秒,如果流星以高速星的速度劃破夜空,發光時間大概只有零點幾秒。如果觀看這麼一場高速流星雨,您根本沒有反應的時間,直到流星消失了,您的腦海可能還在反覆確認一個問題:剛才那個是流星嗎?

嗯,是的。唉,不對,好像不是。

圖5(圖源:網絡)

高速星家族

科研工作者最喜歡的事情之一,是把研究對象做各種分類,然後從不同角度和維度去觀察和研究它們。面對高速星,研究人員亦不能“免俗”,讓我們一起來認識一下高速星的家庭成員。

目前來看,這個家族不算龐大。

研究人員按照能不能從銀河系“逃跑”和 在哪裏“出生”兩個條件,把高速星分為四類,分別是“超高速星”、“超高速逃逸星”、“逃跑星”和“快速暈星”。

大哥“超高速星”。它們是能夠從銀河系“逃跑”的恆星,在銀心附近意外獲得的巨大能量改變了它們原本的運動速度,使它們成為備受矚目的“超高速星”。所以,大哥可以看作是在銀心“誕生”的。

提到銀河系中心,您一定會想到神祕的黑洞,也一定會聯想到超高速星的誕生會不會跟黑洞有關係?天文學家也是這麼猜測的,他們在理論上證實:恆星與銀心黑洞之間的相互作用是大哥“誕生”的原因。

二哥“超高速逃逸星”。它們也能夠從銀河系“逃跑”,與大哥不同的是,它們的誕生地是銀盤,這裏被視為恆星的搖籃,孕育着很多恆星。銀盤上恆星密度比銀河系外圍高,恆星之間的相互作用是二哥“誕生”的原因。

三哥“逃跑星”。它們跟二哥一樣,都“誕生”於銀盤,產生的原因也類似。所不同的是,三哥獲得的能量沒有二哥那麼大,所以它們還在銀河系“魔掌”的控制之下“生活”。不出意外的話,銀河系以外的風景老三是無緣目睹了。

四弟“快速暈星”。這個四弟其實是個“外來户”,它們從銀河系的衞星星系或其它星系“過繼”而來。銀河系並不孤獨,它的周圍還有質量更小的衞星星系,目前已發現幾十個矮星系,比如大小麥哲倫星系等。銀河系和它的鄰居們並不是老死不相往來,有時也會串串門。這一串門可好,銀河系強大的“個人魅力”讓衞星星系裏的一些恆星留了下來,當它們從衞星星系被“撕扯”下來的時候獲得了很高的速度。

兩個豪門的聯姻

豪門最大的特點是啥?那就是家裏有“礦”

探尋高速星這種稀罕“物件”,需要“礦”特別多的巡天項目。不同望遠鏡的能力和“肩負”的使命不同,收集“礦”的種類和數量也不同,這就需要“礦”多的項目“聯合”起來,像聯姻一樣優勢互補。

LAMOST——郭守敬望遠鏡,中國天文學家自主研製的第一架大視場兼備大口徑的光學望遠鏡,它的光譜獲取效率世界第一!正式巡天八年來,LAMOST共獲得一千四百多萬條光譜,是光譜觀測領域的超級“豪門”。

圖6:郭守敬望遠鏡(圖源:於海童)

您可能會想,要光譜幹啥?

光譜是天體研究的重要手段之一,天文學家藉助它們就能得到發現高速星所需要的部分信息。

Gaia——歐洲航天局2013年發射的一顆測量恆星位置、亮度和距離等參數的衞星,已為十多億恆星測量了這些信息,是這個領域的超級“大佬”。

圖7:Gaia望遠鏡(圖源:維基百科)

如果LAMOST和Gaia兩大“豪門聯姻”,就集全了探尋高速星需要的所有參數信息,兩個“豪門”充足的“礦”為更多高速星的發現帶來機遇。

2020年,國家天文台研究人員完成了LAMOST和Gaia的“聯姻”,在豪門充足的“礦”中發現了591顆高速星,其中43顆能夠擺脱銀河系的“控制”。自2005年發現第一顆高速星,科學家歷經15年,使用多個設備共發現約550多顆高速星,其中40多個被證實能夠從銀河系“逃跑”。

這次兩大“豪門”的“聯姻”提高了高速星的發現效率,研究人員僅用兩個觀測設備,一次性發現了比前人15年積累的全部“家當”還多的高速星,首次使高速星總數突破1000顆,這次發現必將開啓“豪門聯姻”大規模“挖掘”高速星的新時代。

研究人員還發現,這是一批生活在銀暈中的高速星,它們符合銀暈恆星的主要特點:“年紀”大、大氣中金屬元素含量低、且在比較扁的軌道上運動。

另外,這591顆高速星大氣中金屬元素含量的分佈情況,向研究人員透漏着一個關於銀河系形成的祕密:若干年以前,銀河系的暈可能是通過“掠奪”鄰居們的“家當”形成的,這些可憐的鄰居們是誰呢?就是我們前面講過的衞星星系,或者叫矮星系。

圖8:591顆高速星在銀河系的位置和運動軌道示意圖(圖源:國家天文台孔嘯繪製)

作者簡介:李蔭碧,中國科學院國家天文台副研究員,主要從事超高速星及海量光譜分析等領域研究。李雙,中國科學院國家天文台工程師,LAMOST運行與發展中心辦公室宣傳主管。羅阿理,中國科學院國家天文台研究員,博士生導師,LAMOST運行與發展中心數據處理部主任,主要從事海量天體光譜分析等領域研究。

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