我们的征途是星辰大海——银河系最快的恒星原来是从别的星系“逃”过来的

上传 / 管理员 ·2017-07-16 天文学.超速恒星

论文标题 / Hypervelocity runaways from the Large Magellanic Cloud

作者 / D. Boubert, D. Erkal N. W. Evans, R. G. Izzard

期刊 / Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

发表时间 / 2017-04-10

数字识别码 / doi: 10.1093/mnras/stx848

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【论文摘要】

We explore the possibility that the observed population of Galactic hypervelocity stars (HVSs) originate as runaway stars from the Large Magellanic Cloud (LMC). Pairing a binary evolution code with an N-body simulation of the interaction of the LMC with the Milky Way, we predict the spatial distribution and kinematics of an LMC runaway population. We find that runaway stars from the LMC can contribute Galactic HVSs at a rate of 3 × 10−6 yr−1. This is composed of stars at different points of stellar evolution, ranging from the main sequence to those at the tip of the asymptotic giant branch. We find that the known B-type HVSs have kinematics that are consistent with an LMC origin. There is an additional population of hypervelocity white dwarfs whose progenitors were massive runaway stars. Runaways that are even more massive will themselves go supernova, producing a remnant whose velocity will be modulated by a supernova kick. This latter scenario has some exotic consequences, such as pulsars and supernovae far from star-forming regions, and a small rate of microlensing from compact sources around the halo of the LMC.

 

艺术家Amanda Smith笔下的逃逸恒星。
图片来源:Amanda Smith

翻译:阿金
校审:郭怿暄

天文学家最近发现在银河系中速度最快的恒星其实是来自于轨道环绕我们的一个小星系。这群恒星移动的速度快到足以逃出银河系。

剑桥大学的研究人员通过分析来自斯隆数字化巡天项目(Sloan Digital Sky Surveys,简称SDSS)的观测数据和计算机模拟,发现这些恒星中的短跑健将来自大麦哲伦云(Large Magellanic Cloud ,简称LMC),该星系是环绕银河系轨道的一个矮星系。

这些快速移动的恒星,也被称为超速恒星。当双星系统中的一颗恒星发生爆炸,就会将另一颗恒星炸飞出去,获得足以逃出“故乡”LMC的速度,而后它们又被银河系吸引并留了下来。这一结论发表在《皇家天文学会月报》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,简称MNRAS)上,同时也于今年7月5日在赫尔大学举办的全国天文大会(National Astronomy Meeting)上作了成果展示。

一开始,天文学家以为这些超速恒星都是大型蓝星,是因超大质量黑洞将其从银河系中心驱逐而产生。而其他理论则认为,矮星系的瓦解或星团内部的混沌也可以给恒星加速。但是,这三种机制都无法解释只能在天空的局部地区发现超速恒星的原因。

截至目前,观测到的近20颗超速恒星绝大多数都出现在北半球天空中,当然也有可能在南半球能观测到更多此类恒星。

“我对那些早先关于超速恒星起源的理论并不满意”,剑桥大学天文学院的博士生,同时也是该论文的第一作者Douglas Boubert讲道,“很多超速恒星都出现在狮子座和六分仪座,我们好奇其中的原因是什么。”

还有另外一种超速恒星起源的解释认为它们是双星系统中的“逃逸者”。在该系统中,两颗恒星距离越近,它们互相环绕的速度就越快。如果其中一颗爆发成为超新星,双星系统就被破坏,剩下的一颗就会以原来的环绕速度飞出。这样的恒星也称为逃逸恒星。但是银河系内逃逸恒星的速度都无法达到超速,因为蓝星之间环绕距离过近就会造成两颗星的融合,但对于一个快速移动的星系来讲,产生如此高速的恒星并非难事。

在环绕银河系的多个矮星系中,LMC是最大也是速度最快的一个。它只有银河系质量的10%。因此,在这个星系中诞生的最快逃逸恒星能够轻易地摆脱它的引力。LMC以每秒400千米的速度环绕银河系运动,这些逃逸恒星就像在一列疾驶火车上发射出的子弹一样,它们的速度就是它们的发射速度加上LMC本身的环绕速度。这样的速度和足以使他们成为超速恒星。

“这些恒星就好像从一辆高速列车上跳下,所以它们的速度会这么快。”该文章共同作者、天文研究院卢瑟福奖学金获得者Rob Izzard解释道,“这也解释了它们在天空中的位置,因为最快的逃逸恒星都是从LMC的轨道朝向狮子座和六分仪座的方向射出的。”

研究人员结合SDSS的观测数据和计算机模拟技术,建立了超速恒星从LMC逃逸并抵达银河系的模型。他们首先模拟出在过去的二十亿年内LMC中恒星的诞生和死亡,并记录下每一颗逃逸恒星。随后,他们继续模拟追踪这些恒星从LMC逃逸后在LMC和银河系引力共同影响下的运动轨道。这些模拟结果有助于研究人员预测来自LMC的逃逸恒星在天空中的具体位置。

“我们是第一个模拟出LMC逃逸恒星的团队,我们预测有一万颗逃逸恒星分布在天空中。”Boubert说道。在根据模拟得到LMC的逃逸恒星中,有将近一半的速度快得甚至可以逃出银河系的引力范围,使它们成为超速恒星。如果以前就知道超速恒星是逃逸恒星的话,那就很好解释它们在天空中的位置了。

质量巨大的蓝星在经过数亿年后会坍塌成为中子星或黑洞,逃逸恒星也是同样的命运。模拟中的大部分逃逸恒星在离开LMC以后,飞着飞着就寿终正寝了。产生的中子星和黑洞会继续前进,因此研究人员还预测与这一万颗逃逸恒星一起飞过银河系的还有一百万颗中子星和黑洞。

“我们很快就会知道我们的预测是否正确”Boubert总结道,“明年,欧洲空间局(European Space Agency,简称ESA)会公布一份数十亿恒星的观测数据报告,其中应该会有一串超速恒星在北半球的狮子座和六分仪座与南半球的LMC之间。”

文章来源

https://phys.org/news/2017-07-fastest-stars-milky-runaways-galaxy.html

 

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