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发现宇宙超高速恒星可达三分之一光速

发布时间:2020-01-14 16:23:11阅读:来源:永科试验机

北京时间9月10日消息,据国外媒体报道,由于太空的广袤无穷,星星们看起来就像天体的固定装置一样,在夜空中纹丝不动。事实上,恒星一直在宇宙中快速移动,有的移动速度可达每秒数千甚至数万公里。天文学家发现,在银河系中存在着无数此类的超高速恒星,它们大多是从黑洞中心被抛射出来,然后逃离银河系。如果有两个超大质量黑洞相互作用,甚至可能会抛射出超级超高速恒星,速度甚至可达三分之一光速。

纳米比亚天空划过的恒星。

外星人会搭流星的便车来地球吗?

迄今为止,科学家共发现约二十多颗超高速恒星,他们甚至猜想,这些恒星可能会充当外星生命的星际运输车。

这种超高速恒星的速度大约是世界上最快速火车运行速度的十万倍,是人类历史上最高速宇宙飞船飞行速度的一千倍,也就是说,在你穿上袜子的瞬间,这些恒星已经环绕地球转了好几圈。总之,速度快得惊人。一些天体物理学家指出,按道理这些恒星可以移动得更快一些——甚至接近光速。由于这些超高速恒星可能拥有自己的行星,从而令科学家猜想,恒星可能充当着外星生命的星系际运输机的角色。但是,你不用设想能够发现可逃逸出银河系的恒星。每秒一千公里左右的速度已经非常快了,足够令一颗恒星冲入广袤寂寞的太空中。大约在10年前,科学家才发现这些被称为超高速的恒星,迄今为止共发现大约二十多颗超高速恒星,正在逃离银河系。科学家还在努力寻找更多这样的恒星。

尽管被冠以超高速恒星之名,但是这些恒星并非是目前已知移动速度最快的恒星。移动速度最快的头衔当属于银河系中心超大质量黑洞周围高速旋转的恒星,其中一颗的速度高达每秒12000公里。由于这些巨型黑洞的重量是太阳的四百万倍,因此其附近的恒星即使移动速度如此之高,也无法逃离黑洞的引力。然而,这些恒星在将超高速恒星踢出银河系的过程中,发挥了不可或缺的作用。1988年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室天体物理学家杰克-希尔描述了一次假想性相遇,即一个超大质量黑洞与一个双星系统相遇。在双星系统中,两颗恒星会互相环绕旋转。希尔意识到,如果双星靠得太近,与黑洞的重力之舞将会把其中一颗恒星以每秒数千公里的速度抛出。于是,他将这些被放逐的恒星称之为超高速恒星。与此同时,黑洞会将另一颗恒星拉入一个紧凑的轨道。

在宇宙中移动的恒星。

蛇夫座ζ星,一颗穿越太空的超高速恒星。

然而,多年来,一直无人关注这个理念,毕竟没有谁观测到有恒星逃离银河系。在2005年,美国哈佛-史密森天体物理中心科学家沃伦-布朗,在银河系中搜寻过一种明亮的蓝色恒星,并通过追踪它们的移动以及银河系对其的重力影响,试图测量出银河系的质量。然而最后的结果是,他发现恒星的移动速度的确非常快,恒星逃离银河系的速度高达每秒853公里。布朗表示:“这个速度超过我之前观测到的任何星体。”一次偶然的机会,他看到了希尔的研究论文,这篇论文看似很好地解释了他的发现。布朗宣称:“如果银河系的正中心有一个超大质量的黑洞,这个黑洞就会不时地将恒星弹射出银河系。”依照这种机制,在中央黑洞周围,将有许多恒星在紧凑的轨道上绕行,这一现象刚好是科学家所观测到的。

受这一发现支持,布朗及其他科学家开始搜寻更快速的恒星。如今,他们已经发现二十多颗这样的恒星——这一数量刚好相当于银河系黑洞抛射恒星的频率。布朗表示:“这类恒星的数量还在增加。很有可能,即使这些恒星目前距离银河系足有成百上千光年,但是这些恒星的确曾经是在银河系的中心孕育而成的。”然而,布朗还有更多的发现。他探测到一些恒星体积巨大,呈蓝色,非常明亮——比太阳亮一百倍——之所以能发现它们,不过是因为它们在银河系数不清的恒星中特别耀眼突出。布朗表示,据预测在银河系附近可能存在约一千颗超快速恒星,这些恒星很可能体积更小,亮度更弱,以至于难以发现。

为了确切知道一颗恒星是否会逃离银河系,科学家需要确定其速度。随着一颗恒星逐渐远离,其光芒变得越来越红,拉出更长的波长。因此,通过测量一颗恒星的光谱——光被分散为其组成光波长——看有多少被转换成更红的色彩,科学家可以确定恒星的速度。但是,这种测量手段仅显示出恒星在视线范围内的移动速度,要计算出其真实速度,需要知道其运行轨道——要测量恒星划过天空的速度,需要极其精密的测量工具,这远远超出了目前的科技能力。恒星运行轨道的确定还将显示其是否真的来自银河系的中心。所幸的是,欧洲航天局的“盖亚”号宇航飞船能做到这一点。“盖亚”号宇宙飞船于2013年发射升空,正对银河系中约十亿的恒星进行速度和位置的测量。一旦测量任务结束,科学家预计“盖亚”号将识别出更多的超高速恒星,这将有助于他们更好地了解银河系。

这些超高速恒星孕育诞生于银河系中心,之后被抛射出去,它们的速度与特性将有助于我们探索了解中央黑洞附近繁忙热闹与拥挤不堪的环境。这些恒星还将有助于科学家对银河系中的所有物质进行绘图。布朗解释说:“任何偏离轨道的现象,都显示出其下存在某种物质的拉力作用。”银河系中的大多数物质都是由神秘莫测、不易看见的物质组成,它们被称之为暗物质。要弄明白这些暗物质是什么,科学家需要知道,在银河中存在多少这样的物质,它们是如何分布的。

黑洞会吸引恒星。

两颗恒星绕着共同的重心旋转,像滑冰者一样快速转动。

一颗诡异的超高速恒星

尽管大多数超高速恒星看似都源自银河系中心,但并不是所有的超高速恒星都是如此。事实上,已知最快的超高速恒星US708,向外移动速度为每秒1200公里(每小时四百多万公里),其起源就截然不同。在布朗看来,这颗恒星非常诡异。一个科学家小组于2005年发现了US708,当时测量其速度为每秒750公里。直至今年,欧洲南方天文台天文学家史蒂芬-盖尔带领研究团队发现,超高速恒星US708的移动速度远远高于2005年测量的这一数据。

通过对比来自“泛星计划”巡天的观测数据与追溯自20世纪50年代的档案图像,科学家完成了一项目前“盖亚”号宇宙飞船正对其它恒星进行的观测任务:确定恒星US708在天空的运行活动,披露了其速度与轨道。显然,US708不是源自银河中心,因此排除了其黑洞起源。

科学家猜想,US708是在一次巨型爆炸中被抛射出来的,第一线索就是US708属于一种被称为热亚矮星的罕见恒星类型。然而在过去,它曾是一颗普通的恒星。根据假设,它是带有一颗白矮星的双星系统的一部分。白矮星是一种低光度、高密度、高温度的演化到末期的恒星残余物。US708与白矮星处于一个紧凑的轨道,在正常的衰老过程中,US708扩张成为一颗红巨星,并吞噬了这颗白矮星。与此同时,这颗白矮星继续绕轨道运行。伴随着这种运动,US708的外层被刨去,仅剩下炙热的、燃烧氦的内核,于是US708变成了一颗亚矮星。接下去,这两个星体绕对方旋转轴上升,在发射重力波的过程中失去能量——重力波是宇宙时空结构中的涟波。最后,两个星体更加靠近,亚矮星开始向白矮星抛洒氦。越来越多的氦聚积在一起,点燃核聚变,导致内核爆炸以及白矮星毁灭。盖尔解释说:“氦的核聚变比太阳中氢的核聚变更为剧烈,它的发生过程不是缓慢的,而是电光石火般的一瞬间。”

在爆炸之前,两颗恒星绕着对方轨道非常高速地旋转——据计算约为每10分钟一次。因此,当白矮星一爆炸,就再没有任何物质可以紧紧抓住US708,于是这颗亚矮星就被迅速抛射出去。这个过程很像两个手拉手旋转的滑冰者,一旦一方放手,另一方就飞速旋转出去。US708是目前观测到的冲出银河系速度最快的一颗恒星,不过这个速度已经到达峰值,因为它曾如此靠近其伙伴旋转,这个速度已经是其力所能及的最高速度了。那么问题就来了:如果不是通过恒星爆炸,如何能加速恒星的移动速度呢?

一颗恒星会冲入更深的太空中。

被抛出宇宙的一颗恒星。

超级超高速恒星

哈佛-史密森天体物理中心天体物理学家艾维-李欧伯和詹姆斯-古拉什认为,答案的关键可能在于超大质量的黑洞。然而,与其它超高速恒星不同的是,需要两个黑洞而不止是一个黑洞来进行解释。如果存在两个超大质量的黑洞——质量是太阳的数百万甚至数十亿倍——以及一颗恒星,它们的相互作用力就能将一颗恒星踢出,速度为已知任何超高速恒星速度的十倍。

这些高速交会可以相当频繁地发生于宇宙中。几乎每个星系,如银河系的中心都有一个超大质量的黑洞,并且星系与星系之间相互吸引,经常发生碰撞。一旦星系与星系发生碰撞,两个中央黑洞就会朝对方中心运动,最后融合。撞进来的恒星要么跌入黑洞,要么留在星系中被抛到一旁,要么被完全抛射出去。

在这些被抛射出的恒星中,绝大多数的速度与普通超高速恒星速度相当,仅有百分之一的速度会超过每秒一万公里,达到每秒十万公里,或者是光速的三分之一。古拉什表示:“最值得我们关注的是,超过每秒一万公里的速度,因为的确没有别的途径可以令恒星加速到如此高的速度。”

然而,在我们可以观测到的宇宙中,存在着数万亿这样超级超高速恒星,移动速度会猛增到光速的百分之十,其中仅有几千颗可抵达银河系的邻近区域。这个数量听上去挺多,但事实上,它们仅占银河系中所有恒星的数亿分之一,因此很难发现。不过,古拉什称,还是有可能探测发现这些恒星。下一代天文望远镜,如詹姆斯-韦伯太空望远镜或者位于智利的大型综合巡天望远镜,就可以部分探测到这些恒星。由于普通超高速恒星的移动速度太慢,移动距离不远,因此这些超级超高速恒星能够覆盖大面积地面。古拉什称:“这些独特的恒星基本上是从宇宙的一端穿梭到了另一端。”

银河系中心的一个黑洞。

印度的夜空。

研究这些超级超高速恒星,有利于太空探索。通过关联恒星的年龄与其移动速度,科学家可以估算出恒星在宇宙中穿行的距离,从而为测量宇宙空间距离提供了一种新思路。这些超级超高速恒星还犹如一盏指路明灯,预示了两个超大质量黑洞的融合。欧洲航天局电子情报卫星预定于2028年发射,届时将可探测这些黑洞剧烈碰撞所产生的重力波。

科学家确信,这些恒星的一小部分将变得速度更快。如果一个超大质量黑洞迅速旋转,一颗恒星随之绕同一方向沿轨道转动,随之而来的第二个黑洞将以近光速的速度将这颗恒星抛射出去。亚光速恒星将成为最终的航天员,快速穿过广袤的星际空间。一颗行星可以绕这些恒星轨道运行,如果轨道足够紧凑——相比较地球与太阳之间的距离——这颗行星就能在星系的驱逐中存活下来。古拉什表示,由于黑洞附近的恶劣环境,生命很难进化下去。即便有这种可能,这些恒星将成为外星生命穿梭星系之间的一个工具。不需要任何昂贵的宇宙飞船。当然,这个场景看上去更像是科幻小说。不过,当你以后抬头仰望夜空,注视这些闪亮的星星时,可以想像一下有关外星生命穿梭的场景。

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