銀河系中的“飛毛腿”

沃梓穎

銀河系擁有1000億～4000億顆恒星，大部分的恒星的速度一般都在10萬千米/小時(shí)的數(shù)量級上。然而，近十幾年來，天文學(xué)家在銀河系中發(fā)現(xiàn)一些恒星運(yùn)動速度快得離譜，速度超過了100萬千米/小時(shí)。因?yàn)樗俣忍炝耍@樣的恒星早晚有一天會擺脫銀河系的引力束縛，奔向星際空間。

天文學(xué)家把這種速度極快的恒星稱為超高速星。那么，關(guān)于它們，有著怎樣的故事？

第一次瞥見

1988年，美國天文學(xué)家杰克·希爾斯就已經(jīng)預(yù)測了超高速星的存在，但直到2005年，來自美國哈佛-史密森天體物理中心的天文學(xué)家才找到第一顆超高速星。第一顆被發(fā)現(xiàn)的超高速星離銀河系中心大約有35萬光年，徑向速度（遠(yuǎn)離星系中心的速度）為242萬千米/小時(shí)。

到目前為止，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20多顆超高速星。然而，天文學(xué)家現(xiàn)在還不太清楚銀河系究竟存在多少顆超高速星。他們估計(jì)應(yīng)該有約1000顆超高速星，而銀河系至少有1000億顆的恒星，所以這是非常低的比例。

那么，如何找到這些超高速星呢？事實(shí)上，天文學(xué)家可以測量任何恒星的徑向速度，辦法就是檢查其光譜。根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)恒星向我們靠近或遠(yuǎn)離時(shí)，它發(fā)出的光線的波長就會變短或變長，光譜中的譜線就會向藍(lán)端或紅端偏移。恒星運(yùn)動速度越快，譜線偏移幅度就越大。此外，分析它們的光譜可以分析出它們實(shí)際的亮度，再與觀測到的亮度相對比，就能知道恒星的位置。

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，幾乎所有已知的超高速星都屬于B型恒星。B型主序星通常呈現(xiàn)藍(lán)白色，質(zhì)量為太陽質(zhì)量的2～16倍，表面溫度高于1萬℃。因?yàn)锽型主序星質(zhì)量較大，燃燒氫的速度更快，其壽命只有幾億年，這意味著這些超高速星都是很年輕的。

此外，已知的超高速星大都位于銀暈——銀河系外圍由稀疏分布的恒星和星際物質(zhì)組成的球狀區(qū)域，它們至少離銀河系中心有15萬光年遠(yuǎn)。然而，銀暈?zāi)抢锸且黄劳鲋?，只有一些球狀星團(tuán)和一些小質(zhì)量的年老恒星。很顯然，這些超高速星原本不在那里產(chǎn)生的，那么它們從哪里飛來的？

幕后的“推手”

天文學(xué)家認(rèn)為，這些超高速星原本在銀河系中心附近，但被位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞彈射了出去。一個(gè)簡單的情況是雙星系統(tǒng)接近黑洞的情況。如果兩顆恒星彼此圍繞，組成一個(gè)雙星系統(tǒng)，當(dāng)它們接近某個(gè)超大質(zhì)量黑洞時(shí)，黑洞可以捕獲其中一顆恒星。這顆接近黑洞的恒星速度會越來越快，根據(jù)牛頓第三定律（相互作用的兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上），另一顆恒星會朝著反方向甩出去。這種效果類似于投石器一樣，而甩出去的恒星能獲得極高的速度，于是就成了一顆超高速星。

上面這種觀點(diǎn)，就是超高速星最有可能的形成機(jī)制。為了搞清楚銀暈中的超高速星是否真的來自于銀河系的中心，除了知道它們的徑向速度以外，天文學(xué)家還需要知道它們的自行運(yùn)動。自行指的是單位時(shí)間內(nèi)恒星走過的距離對于觀測者來說所張開的角度，單位通常是角秒/年（1度=3600角秒）。徑向速度再加上自行運(yùn)動量，天文學(xué)家就可以推測出恒星在宇宙中的運(yùn)動軌跡。

但在測量自行時(shí)，天文學(xué)家需要找一個(gè)相對更遠(yuǎn)的物體當(dāng)作參照物。對于超高速星的話，可以選擇遙遠(yuǎn)的河外星系或類星體（一種非常遙遠(yuǎn)的天體）當(dāng)作參照物，但此觀測過程可能需要數(shù)年的時(shí)間。此外，盡管超高速星有著極高的速度，但是它們的自行小于0.001角秒/年。所以，為了準(zhǔn)確測量超高速星的自行，需要使用精度更高的位于太空中的望遠(yuǎn)鏡。

歐洲航天局在2013年發(fā)射的蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡，有能力準(zhǔn)確測量它們的自行。天文學(xué)家根據(jù)獲得的觀測數(shù)據(jù)，就可以去確定這些超高速星最初的位置是否真的來自銀河系中心附近。

另類超高速星

天文學(xué)家認(rèn)為，一些超高速星也可能是來自周圍的星系，比如大、小麥哲倫云。大、小麥哲倫云是兩個(gè)圍繞銀河系旋轉(zhuǎn)的小星系。而天文學(xué)家在大麥哲倫云附近，就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)編號為HE 0437-5439的超高速星。這顆恒星離銀河系中心約有20萬光年，是一顆B型主序星，年齡在3000萬年左右。通常認(rèn)為，它是來自于大麥哲倫云的恒星，并在誕生不久后就被甩出大麥哲倫云。如果真的如此，那么在大麥哲倫云中也可能擁有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

但隨后，一些天文學(xué)家認(rèn)為，HE 0437-5439仍有可能來自銀河系。根據(jù)逃逸速度計(jì)算，它應(yīng)該是在1億年前離開銀河系的，但它的年齡看起來卻只有3000萬年，這是怎么回事呢？天文學(xué)家認(rèn)為，它本來是位于一個(gè)三顆恒星組合成的天體系統(tǒng)中，這個(gè)系統(tǒng)接近銀河系中心的黑洞時(shí)，黑洞捕獲了其中一顆恒星，另外兩個(gè)則組成了一個(gè)雙星系統(tǒng)并被彈射出去，遠(yuǎn)離銀河系的中心。之后，雙星系統(tǒng)的一顆膨脹為紅巨星，使得兩顆恒星靠得更近。最終，它們合并在一起，成為了一顆藍(lán)白色的B型超高速星。

天文學(xué)家還認(rèn)為，可能還存在著其他的超高速星形成機(jī)制。比如，一些超高速星可以借助超新星爆發(fā)產(chǎn)生。在一個(gè)雙星系統(tǒng)中，如果兩顆恒星靠得比較近，質(zhì)量較大的恒星變?yōu)槌滦菚r(shí)，爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波可能會把自己與其伴恒星炸開，而那顆小質(zhì)量的恒星就變?yōu)槌咚傩橇?。天文學(xué)家認(rèn)為，這樣的雙星通常會出現(xiàn)在有新的恒星誕生的地方，例如年輕的星團(tuán)中。

一個(gè)典型例子則是超高速星US 708。它是已知運(yùn)動速度最快的超高速星，速度約為430萬公里/小時(shí)。但天文學(xué)家分析了其運(yùn)動軌跡，認(rèn)為它幾乎不可能起源于銀河系的中心。最新研究則認(rèn)為US 708可能曾經(jīng)是一對靠得比較近的雙星系統(tǒng)中的一員。而當(dāng)US 708仍為紅巨星時(shí)，它的伴星已經(jīng)成為白矮星。當(dāng)白矮星從US 708的外層吸積氣體時(shí)，兩者的相對軌道改變。接著，白矮星的質(zhì)量到達(dá)某個(gè)極限，開始坍縮并引發(fā)失控的聚變反應(yīng)，釋放出極高的能量，成為一顆超新星，爆發(fā)的能量使US 708被高速彈射。

但是，天文學(xué)家認(rèn)為，靠超新星爆發(fā)產(chǎn)生的超高速星是很少見的，大多數(shù)的超高速星可能仍是借助超大質(zhì)量黑洞而產(chǎn)生的。

未來的研究

你可能認(rèn)為超高速星是隨機(jī)分布在天空中的，但事實(shí)并非如此。目前所發(fā)現(xiàn)的超高速星，其中有一半的超高速星位于天空中獅子座的那個(gè)方向上。這可能是因?yàn)槟撤N因素導(dǎo)致了銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞偏向于某個(gè)方向驅(qū)逐恒星。

但這有可能是因?yàn)楝F(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)不足，畢竟現(xiàn)在天文學(xué)家還沒有完整地調(diào)查整個(gè)天空的情況。所以特別需要調(diào)查與獅子座相反的方向，即水瓶座那里，是否也有超高速星。這樣就可以判斷超高速星分布是否南北對稱。

一旦完成這些調(diào)查，天文學(xué)家就可以使用超高速星來研究銀河系的其他特性。因?yàn)槌咚傩瞧鹪从阢y河系中心，它們的運(yùn)動軌跡應(yīng)該是一條向外的直線。然而，一些天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系鑲嵌在一個(gè)橢球形狀的暗物質(zhì)暈中。這意味著，超高速星的運(yùn)動軌跡在暗物質(zhì)引力的影響下會偏離直線。朝哪個(gè)方向偏離，偏離多少，取決于暗物質(zhì)暈的形狀。如果天文學(xué)家能在整個(gè)天空找到200個(gè)左右的超高速星，然后精確測量它們的運(yùn)動軌跡，那么我們就可以知道暗物質(zhì)暈對超高速星帶來了多大的影響，從中就可分析出暗物質(zhì)暈的形狀究竟是什么樣的。

此外，受現(xiàn)有技術(shù)的限制，現(xiàn)在找到的超高速星都是很大很亮的B型主序星。許多天文學(xué)家認(rèn)為，可能存在許多低質(zhì)量的超高速星，只是沒被我們發(fā)現(xiàn)。為了尋找它們，天文學(xué)家需要口徑更大的新一代天文望遠(yuǎn)鏡。

一些天文學(xué)家設(shè)想得更遠(yuǎn)，認(rèn)為在數(shù)千億年的未來，超高速星可能是我們星系以外唯一可觀測的對象。那時(shí)，隨著宇宙的演化，所有的星系都會與周圍的星系合并為一個(gè)巨大的星系。如果宇宙繼續(xù)加速膨脹下去的話，那么除了我們所在的大星系以外，其他的星系遠(yuǎn)離我們的速度最終會超過光速，這樣我們就永遠(yuǎn)看不見它們了，星系以外唯一可見的觀測對象，可能就是剛從我們的星系逃出的超高速星。那時(shí)，想了解宇宙的膨脹，主要就靠這些“飛毛腿”了。endprint