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银河系中的飞毛腿
银河系拥有1000亿~4000亿颗恒星,大部分的恒星的速度一般都在10万千米/小时的数量级上.然而,近十几年来,天文学家在银河系中发现一些恒星运动速度快得离谱,速度超过了100万千米/小时.因为速度太快了,这样的恒星早晚有一天会摆脱银河系的引力束缚,奔向星际空间.
天文学家把这种速度极快的恒星称为超高速星.那么,关于它们,有着怎样的故事？
第一次瞥见
1 9 8 8 年,美国天文学家杰克·希尔斯就已经预测了超高速星的存在,但直到2005年,来自美国哈佛-史密森天体物理中心的天文学家才找到第一颗超高速星.第一颗被发现的超高速星离银河系中心大约有35万光年,径向速度（远离星系中心的速度）为242万千米/小时.
到目前为止,天文学家已经发现了20多颗超高速星.然而,天文学家现在还不太清楚银河系究竟存在多少颗超高速星.他们估计应该有约1000颗超高速星,而银河系至少有1000亿颗的恒星,所以这是非常低的比例.
那么,如何找到这些超高速星呢？事实上,天文学家可以测量任何恒星的径向速度,办法就是检查其光谱.根据多普勒效应,当恒星向我们靠近或远离时,它发出的光线的波长就会变短或变长,光谱中的谱线就会向蓝端或红端偏移.恒星运动速度越快,谱线偏移幅度就越大.此外,分析它们的光谱可以分析出它们实际的亮度,再与观测到的亮度相对比,就能知道恒星的位置.
天文学家发现,几乎所有已知的超高速星都属于B型恒星.B型主序星通常呈现蓝白色,质量为太阳质量的2～16倍,表面温度高于1万℃.因为B型主序星质量较大,燃烧氢的速度更快,其寿命只有几亿年,这意味着这些超高速星都是很年轻的.
此外,已知的超高速星大都位于银晕——银河系由稀疏分布的恒星和星际物质组成的球状区域,它们至少离银河系中心有15万光年远.然而,银晕那里是一片死亡之地,只有一些球状星团和一些小质量的年老恒星.很显然,这些超高速星原本不在那里产生的,那么它们从哪里飞来的？
幕后的“推手”
天文学家认为,这些超高速星原本在银河系中心附近,但被位于银河系中心的超大质量黑洞弹射了出去.一个简单的情况是双星系统接近黑洞的情况.如果两颗恒星彼此围绕,组成一个双星系统,当它们接近某个超大质量黑洞时,黑洞可以捕获其中一颗恒星.这颗接近黑洞的恒星速度会越来越快,根据牛顿第三定律（相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上）,另一颗恒星会朝着反方向甩出去.这种效果类似于投石器一样,而甩出去的恒星能获得 极高的速度,于是就成了一颗超高速星.
上面这种观点,就是超高速星最有可能的形成机制.为了搞清楚银晕中的超高速星是否真的来自于银河系的中心,除了知道它们的径向速度以外,天文学家还需要知道它们的自行运动.自行指的是单位时间内恒星走过的距离对于观测者来说所张开的角度,单位通常是角秒/年（1度等于3600角秒）.径向速度再加上自行运动量,天文学家就可以推测出恒星在宇宙中的运动轨迹.
但在测量自行时,天文学家需要找一个相对更远的物体当作参照物.对于超高速星的话,可以选择遥远的河外星系或类星体（一种非常遥远的天体）当作参照物,但此观测过程可能需要数年的时间.此外,尽管超高速星有着极高的速度,但是它们的自行小于0.001角秒/年.所以,为了准确测量超高速星的自行,需要使用精度更高的位于太空中的望远镜.
欧洲航天局在2013年发射的盖亚太空望远镜,有能力准确测量它们的自行.天文学家根据获得的观测数据,就可以去确定这些超高速星最初的位置是否真的来自银河系中心附近.
另类超高速星
天文学家认为,一些超高速星也可能是来自周围的星系,比如大、小麦哲伦云.大、小麦哲伦云是两个围绕银河系旋转的小星系.而天文学家在大麦哲伦云附近,就发现了一个编号为HE 0437-5439的超高速星.这颗恒星离银河系中心约有20万光年,是一颗B型主序星,年龄在3000万年左右.通常认为,它是来自于大麦哲伦云的恒星,并在诞生不久后就被甩出大麦哲伦云.如果真的如此,那么在大麦哲伦云中也可能拥有一个超大质量黑洞.
但随后,一些天文学家认为,HE 0437-5439仍有可能来自银河系.根据逃逸速度计算,它应该是在1亿年前离开银河系的,但它的年龄看起来却只有3000万年,这是怎么回事呢？天文学家认为,它本来是位于一个三颗恒星组合成的天体系统中,这个系统接近银河系中心的黑洞时,黑洞捕获了其中一颗恒星,另外两个则组成了一个双星系统并被弹射出去,远离银河系的中心.之后,双星系统的一颗膨胀为红巨星,使得两颗恒星靠得更近.最终,它们合并在一起,成为了一颗蓝白色的B型超高速星.
天文学家还认为,可能还存在着其他的超高速星形成机制.比如,一些超高速星可以借助超新星爆发产生.在一个双星系统中,如果两颗恒星靠得比较近,质量较大的恒星变为超新星时,爆发产生的冲击波可能会把自己与其伴恒星炸开,而那颗小质量的恒星就变为超高速星了.天文学家认为,这样的双星通常会出现在有新的恒星诞生的地方,例如年轻的星团中.
一个典型例子则是超高速星US 70 8.它是已知运动速度最快的超高速星,速度约为430万公里/小时.但天文学家分析了其运动轨迹,认为它几乎不可能起源于银河系的中心.最新研究则认为US 708可能曾经是一对靠得比较近的双星系统中的一员.而当US 708仍为红巨星时,它的伴星已经成为白矮星.当白矮星从US 708的外层吸积气体时,两者的相对轨道改变.接着,白矮星的质量到达某个极限,开始坍缩并引发失控的聚变反应,释放出极高的能量,成为一颗超新星,爆发的能量使US 708被高速弹射.
但是,天文学家认为,靠超新星爆发产生的超高速星是很少见的,大多数的超高速星可能仍是借助超大质量黑洞而产生的.
未来的研究
你可能认为超高速星是随机分布在天空中的,但事实并非如此.目前所发现的超高速星,其中有一半的超高速星位于天空中狮子座的那个方向上.这可能是因为某种因素导致了银河系中心的超大质量黑洞偏向于某个方向驱逐恒星.
但这有可能是因为现有的观测数据不足,毕竟现在天文学家还没有完整地调查整个天空的情况.所以特别需要调查与狮子座相反的方向,即水瓶座那里,是否也有超高速星.这样就可以判断超高速星分布是否南北对称.
一旦完成这些调查,天文学家就可以使用超高速星来研究银河系的其他特性.因为超高速星起源于银河系中心,它们的运动轨迹应该是一条向外的直线.然而,一些天文学家认为,银河系镶嵌在一个椭球形状的暗物质晕中.这意味着,超高速星的运动轨迹在暗物质引力的影响下会偏离直线.朝哪个方向偏离,偏离多少,取决于暗物质晕的形状.如果天文学家能在整个天空找到200个左右的超高速星,然后精确测量它们的运动轨迹,那么我们就可以知道暗物质晕对超高速星带来了多大的影响,从中就可分析出暗物质晕的形状究竟是什么样的.
此外,受现有技术的限制,现在找到的超高速星都是很大很亮的B型主序星.许多天文学家认为,可能存在许多低质量的超高速星,只是没被我们发现.为了寻找它们,天文学家需要口径更大的新一代天文望远镜.
一些天文学家设想得更远,认为在数千亿年的未来,超高速星可能是我们星系以外唯一可观测的对象.那时,随着宇宙的演化,所有的星系都会与周围的星系合并为一个巨大的星系.如果宇宙继续加速膨胀下去的话,那么除了我们所在的大星系以外,其他的星系远离我们的速度最终会超过光速,这样我们就永远看不见它们了,星系以外唯一可见的观测对象,可能就是刚从我们的星系逃出的超高速星.那时,想了解宇宙的膨胀,主要就靠这些“飞毛腿”了.
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