;
Кейсы 29 марта 2021

Космическая скорость 455 км/с: как появились сверхскоростные звезды

Далее

Высокоскоростными называются звезды с огромной пространственной скоростью, которые могут в какой-то момент покинуть свою галактику. Рассказываем подробнее о самых быстрых звездах.

Что такое сверхскоростные звезды?

Убегающая звезда, звезда-беглянка — та, которая движется с аномально высокой скоростью по отношению к окружающей межзвездной среде.

Собственное движение подобной звезды часто указывается именно относительно звездной ассоциации, членом которой она когда-то должна была стать, прежде чем была выброшена из нее. Наше Солнце является лишь одной из 400 млрд звезд в нашей галактике — Млечный Путь.

Галактика вращается медленно, совершая один оборот за 250 млн лет. Большинство звезд в Млечном Пути идут в ногу с его медленным вращением: скорость Солнца, например, относительно других звезд составляет 19,4 км/с. Но в галактике существуют и «убегающие звезды»: их скорость относительно других звезд составляет до 200 км/с.

Около 10–30% звезд спектрального класса О и 5–10% всех звезд спектрального класса В обладают скоростями подобного порядка. Все они — относительно молодые жители галактики — возрастами до 50 млн лет, и за это время они проходят в пространстве относительно небольшие расстояния — от сотен парсек до нескольких килопарсек, поэтому иногда представляется возможным определить скопление, в котором они родились.

Убегающие звезды и головная ударная волна

Некоторые убегающие звезды производят головную ударную волну сжатого вещества, которая очень похожа на головную волну вокруг лодки, плывущей по воде. Эта волна имеет ту же физическую природу, что и ударная волна, создаваемая реактивным истребителем в воздухе.

Когда звезда-беглец движется с большой скоростью через межзвездную среду (очень тонкую смесь газа и пыли) со сверхзвуковой скоростью, то межзвездное вещество становится заметно в виде головной ударной волны.

Термин «Сверхзвуковая скорость» означает, что скорость движущегося объекта выше, чем скорость звука в окружающей среде. В то время как в нижнем слое атмосферы Земли эта скорость составляет около 330 м/с, то в почти пустом межзвездном пространстве ее значение примерно 10 км/с.

Таким образом, обнаружение головной ударной волны вокруг OB-звезды означает, что она движется со сверхзвуковой скоростью, и тем самым ее можно надежно идентифицировать как убегающую звезду, даже если ее скорость не была измерена непосредственно.

Изображения убегающих звёзд, сделанные космическим телескопом Хаббл в период с октября 2005 по июль 2006 года. Источник: NASA

Характеристики звезд

На расстоянии 750 пк от Солнца известно 56 убегающих звезд. Эти звезды почти не отличаются от остальных звезд дисковой составляющей галактики по всем своим параметрам, кроме высокой пространственной скорости. Четыре звезды из этой группы обладают массой выше 25 солнечной (для них масса определяется по виду спектра с не очень высокой точностью). 

Сейчас предполагается, что такие звезды образуются либо при динамической эволюции скоплений и ассоциаций в которых они родились (наиболее вероятная причина — тесное тройное сближение), либо в результате распада двойной системы при взрыве сверхновой, когда бегущая звезда получает начальный импульс при взрыве звезды-компаньона.

В то время как теоретически возможны оба механизма, астрономы на практике обычно склоняются к гипотезе взрыва сверхновой. Р. Хугерверт и его коллеги из Лейденской обсерватории в Нидерландах использовали данные, полученные спутником Hipparcos, чтобы проследить во времени движение 56 убегающих звезд и нашли доказательства в поддержку обеих теорий.

Авторы проследили движение этих звезд в галактике и для большинства из них (в том числе для всех четырех массивных) нашли, когда и из какой ассоциации эти звезды вылетели, а также какой из двух возможных механизмов выброса действовал для каждой конкретной звезды (большинство звезд было выброшено при распаде двойных).

Скорее всего все четыре массивные убегающие звезды приобрели свою высокую пространственную скорость в результате взрывов сверхновых в двойных системах.

Авторы приводят несколько аргументов в пользу такого вывода:

  • Эти звезды очень массивные. Для того, чтобы быть выкинутыми из скопления (ассоциации) им надо было пролететь вблизи не намного менее массивных звезд. Иначе, по закону сохранения импульса, выброшенными из системы оказались бы именно менее массивные звезды. А столь массивных звезд очень мало — это прямое следствие закона Солпитера. Близкий пролет нескольких массивных звезд оказывается чрезвычайно редким событием, по сравнению с достаточно редкими тесными тройными сближениями звезд малых масс.
  • Массивные звезды живут всего несколько миллионов лет. Этот факт накладывает на описанное редкое событие дополнительное ограничение — сближение должно успеть произойти, пока массивные звезды не взорвались как сверхновые.
  • Эти звезды летят со скоростями в несколько раз выше дисперсии скоростей тех ассоциаций, в которых они родились. Сам по себе этот факт ничему не противоречит, после удачного тесного сближения звезды могут приобретать достаточно высокие скорости. Однако это происходит только в редких случаях, средняя величина приобретаемой в таких процессах скорости существенно ниже. Таким образом с очень большой вероятностью каждая из этих четырех звезд входила в состав достаточно тесной массивной двойной системы и приобрела свою пространственную скорость после ее распада из-за взрыва сверхновой.

Определение процентного соотношения первого и второго механизма в формировании убегающих звезд накладывает сильные ограничения на теории формирования скоплений и эволюции звезд.

Численное моделирование, проделанное в 2000 году, показало, что число убегающих звезд может помочь определить, например, число рождавшихся двойных пар в скоплениях.

Радиальные скорости измерены всего для одной трети звезд О-В каталога Hipparcos. По имеющимся данным можно сказать, что оба механизма примерно равнозначны. С ростом количества убегающих звезд, для которых будет определены скорость и положение в пространстве, можно будет найти их родительские скопления, а также возраст и их начальные скорости.

  • Убегающая звезда α Жирафа

Звезда находится в созвездии Жирафа и удалена от Земли на четыре тысячи световых лет. Ее масса превышает массу Солнца в 25–30 раз, она в пять раз горячее Солнца (ее температура равна 30 тыс. градусов) и в 500 тыс. раз ярче Солнца.

Убегающая звезда α Жирафа создает головную ударную волну, которая распространяется со скоростью 60 км/с и сжимает межзвездную среду на своём пути. Головная волна отстоит от самой звезды примерно на десять световых лет.

Звезда испускает также мощный звездный ветер. Астрономы долго полагали, что α Жирафа была выброшена из ближайшего скопления молодых горячих звезд вследствие гравитационного взаимодействия с другими членами скопления. Согласно другой гипотезе, звезда могла приобрести скорость (вылетев из двойной системы) в результате взрыва массивной звезды-компаньона как сверхновой. 

  • Убегающая звезда ζ Змееносца

При движении ζ Змееносца образует перед собой дугообразную волну из межзвездного вещества, которая отлично видна на этом красочном инфракрасном снимке, сделанном космическим аппаратом WISE.

На фотографии в искусственных цветах ζ Змееносца выглядит голубоватой. Она расположена вблизи центра картинки и движется вверх со скоростью 24 км/с. Масса звезды в 20 раз превышает солнечную. Сильный звездный ветер летит впереди звезды, сжимая и нагревая межзвёздное вещество и формируя головную ударную волну.

  • Убегающая звезда АЕ Возничего

АЕ Возничего — яркая звезда чуть ниже и левее центра этого красочного портрета туманности IC 405, также известной под названием Туманность пламенеющей звезды.

Окруженная космическим облаком горячая переменная звезда спектрального типа О своим энергичным излучением заставляет светиться водород, расположенный вдоль газовых волокон. Голубой свет звезды отражается от межзвездной пыли. Звезда АЕ Возничего родилась совсем не в том облаке, которое она подсвечивает.

Инфракрасное изображение головной ударной волны (жёлтая дуга), созданной звездой-беглецом ζ Змееносца в межзвёздном облаке пыли и газа

Рекорд скорости

Одна из самых быстро убегающих звезд — US 708 в созвездии Большой Медведицы. Ее обнаружили в 1982-м и переоткрыли в 2005-м. Долгое время считали, что ее, как и другие объекты этого типа, выкинула сверхмассивная черная дыра из центра Галактики.

В 2019 году новый рекорд US 708 поставила S5-HSV1 в созвездии Журавля. Объект открыли в обзоре Англо-австралийского телескопа. Ее скорость — 1,7 тыс. километров в секунду. Сейчас это единственная с большой вероятностью доказанная сверхскоростная звезда, пришедшая из центра Млечного Пути.

Чем могут помочь сверхскоростные звезды?

Сейчас сверхскоростные звезды обнаруживают в гало — за пределами видимой части галактики. В противоположность типичному «населению» окраин, состоящему из красных затухающих старых звезд, это молодые горячие голубые гиганты.

Такие рождаются в центре Млечного Пути, где идет активное звездообразование. Однако сильное гравитационное поле сверхмассивной черной дыры отрывает их от пары и разгоняет до скорости убегания из Галактики. Они очень яркие, и потому их легче обнаруживать.

На существование гало ученых навела аномалия скорости вращения внешних областей Галактики. Ее не объяснить, если бы там были только звезды. Нужна большая дополнительная масса. Ее называют темной материей, поскольку напрямую мы ее не фиксируем.

Какая форма у гало, сферическая или уплощенная, неизвестно, но траектории сверхскоростных звезд помогут ответить на этот вопрос. Анализируя эти данные, профессор Ави Леб из Гарварда с коллегами оценили массу Млечного Пути вместе с темной материей в 1,2-1,9 триллион масс Солнца.

Читать далее

Самое штормовое место на Земле: почему пролив Дрейка — опаснейший путь в Арктику

Астрофизики смоделировали первые триллионные доли секунды Большого взрыва

Mars Express помог выяснить, куда и как исчезла вода с Красной планеты

Загрузка...