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(wàn)千米/小時(shí)的數(shù)量級(jí)上。然而，近十幾年來(lái)，天文學(xué)家在銀河系中發(fā)現(xiàn)一些恒星運(yùn)動(dòng)速度快得離譜，速度超過(guò)了100萬(wàn)千米/小時(shí)。因?yàn)樗俣忍炝?，這樣的恒星早晚有一天會(huì)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(chēng)為超高速星。那么，關(guān)于它們，有著怎樣的故事？

第一次瞥見(jiàn)

1988年，美國(guó)天文學(xué)家杰克·希爾斯就已經(jīng)預(yù)測(cè)了超高速星的存在，但直到2005年，來(lái)自美國(guó)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(wàn)光年，徑向速度（遠(yuǎn)離星系中心的速度）為242萬(wàn)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(cè)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(xiàn)的波長(zhǎng)就會(huì)變短或變長(zhǎng)，光譜中的譜線(xiàn)就會(huì)向藍(lán)端或紅端偏移。恒星運(yùn)動(dòng)速度越快，譜線(xiàn)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(cè)到的亮度相對(duì)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(yáng)質(zhì)量的2～16倍，表面溫度高于1萬(wàn)℃。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(wàn)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(lái)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(jiǎn)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(huì)越來(lái)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(xiàn)上），另一顆恒星會(huì)朝著反方向甩出去。這種效果類(lèi)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(lái)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(dòng)。自行指的是單位時(shí)間內(nèi)恒星走過(guò)的距離對(duì)于觀測(cè)者來(lái)說(shuō)所張開(kāi)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(dòng)量，天文學(xué)家就可以推測(cè)出恒星在宇宙中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

但在測(cè)量自行時(shí)，天文學(xué)家需要找一個(gè)相對(duì)更遠(yuǎn)的物體當(dāng)作參照物。對(duì)于超高速星的話(huà)，可以選擇遙遠(yuǎn)的河外星系或類(lèi)星體（一種非常遙遠(yuǎn)的天體）當(dāng)作參照物，但此觀測(cè)過(guò)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(cè)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(cè)量它們的自行。天文學(xué)家根據(jù)獲得的觀測(cè)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(lái)自銀河系中心附近。

另類(lèi)超高速星

天文學(xué)家認(rèn)為，一些超高速星也可能是來(lái)自周?chē)男窍?，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(hào)為HE 0437-5439的超高速星。這顆恒星離銀河系中心約有20萬(wàn)光年，是一顆B型主序星，年齡在3000萬(wàn)年左右。通常認(rèn)為，它是來(lái)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(lái)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(kāi)銀河系的，但它的年齡看起來(lái)卻只有3000萬(wàn)年，這是怎么回事呢？天文學(xué)家認(rèn)為，它本來(lái)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(huì)把自己與其伴恒星炸開(kāi)，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(huì)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(dòng)速度最快的超高速星，速度約為430萬(wàn)公里/小時(shí)。但天文學(xué)家分析了其運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)軌道改變。接著，白矮星的質(zhì)量到達(dá)某個(gè)極限，開(kāi)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?gòu)椛洹?/p>

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(jiàn)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(lái)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(cè)數(shù)據(jù)不足，畢竟現(xiàn)在天文學(xué)家還沒(méi)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(duì)稱(chēng)。

一旦完成這些調(diào)查，天文學(xué)家就可以使用超高速星來(lái)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(dòng)軌跡應(yīng)該是一條向外的直線(xiàn)。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(dòng)軌跡在暗物質(zhì)引力的影響下會(huì)偏離直線(xiàn)。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(cè)量它們的運(yùn)動(dòng)軌跡，那么我們就可以知道暗物質(zhì)暈對(duì)超高速星帶來(lái)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(méi)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(lái)，超高速星可能是我們星系以外唯一可觀測(cè)的對(duì)象。那時(shí)，隨著宇宙的演化，所有的星系都會(huì)與周?chē)男窍岛喜橐粋€(gè)巨大的星系。如果宇宙繼續(xù)加速膨脹下去的話(huà)，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(huì)超過(guò)光速，這樣我們就永遠(yuǎn)看不見(jiàn)它們了，星系以外唯一可見(jiàn)的觀測(cè)對(duì)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。

小貼士

恒星的光譜類(lèi)型

在天文學(xué)中，恒星可以依照光球的溫度分門(mén)別類(lèi)。依照溫度由高到低，大部分恒星可以被分為O、B、A、F、G、K、M等類(lèi)型。太陽(yáng)屬于G型。endprint