Звезды вращаются вокруг центра Млечного Пути с разной скоростью. Некоторые из них движутся настолько быстро, что вскоре покинут нашу Галактику. Ученые внимательно следят за ними, чтобы выяснить, как распределена в пространстве темная материя.
Гиперскоростные звезды
С 1920-х годов гиперскоростные звезды являются важным инструментом, позволяющим астрономам изучать свойства галактики Млечный Путь, такие как ее гравитационный потенциал и распределение вещества. Сейчас астрономы из Китая провели масштабный поиск гиперскоростных звезд, используя специальный класс светил, известных своей четкой, регулярной и предполагаемой пульсацией, что делает их полезными в качестве индикаторов расстояния.
Скорость убегания любой планеты, звезды или галактики — это скорость, необходимая массе, покидающей поверхность объекта, чтобы полностью и точно выйти из гравитационного поля планеты и двигаться до бесконечности. Скорость убегания Земли составляет 11,2 км/с.
Любая масса, которая покидает поверхность с такой начальной скоростью, без дополнительной энергии выйдет из гравитационного поля Земли. Примерами могут служить камни, выброшенные с Земли в результате столкновения с астероидом (как это произошло с камнями, обмененными между Землей и Марсом), или возможное исчезновение стальной крышки, покрывавшей взрывное отверстие от подземного ядерного взрыва 1957 года в Неваде.
Скорость убегания от Солнца составляет 618 км/с (но лишь 42 км/с от положения Земли) и около 550 км/с от положения Солнца во Млечном Пути. Гиперскоростные звезды (HVS) имеют тангенциальную скорость 1000 км/с или больше, что делает их гравитационно независимыми от Млечного Пути.
Образование убегающих звезд
Одним из самых распространенных способов образования HVS является гравитационное взаимодействие со сверхмассивной черной дырой Стрелец А* в центре Млечного Пути.
Механизм Хиллса, впервые предложенный астрономом Джеком Хиллсом в 1988 году, предполагает, что одна звезда из двойной пары увлекается черной дырой, а другая отбрасывается от черной дыры с большой скоростью.
Такая выброшенная звезда была впервые наблюдается в 2019 году, когда она удалялась от ядра Млечного Пути со скоростью 1755 км/с — 0,6 % от скорости света, — что превышает скорость убегания из галактического центра. Подобные звезды также служат прямым доказательством существования сверхмассивных черных дыр в центрах галактик и позволяют изучать их свойства.
Более того, отслеживая траектории убегающих звезд, ученые могут составить карту гравитационного потенциала Млечного Пути — как массы взаимодействуют внутри галактики — включая распределение темной материи в гало, огромном сферическом объеме, окружающем диск галактики.
Поиск среди звезд типа RR Лиры
С этими мотивами три астронома из научных учреждений Пекина во главе с главным автором Хаожу Фу из Пекинского университета искали HVS, начиная со светил типа RR Лиры (RRL). Эти старые гигантские звезды пульсируют с периодом от 0,2 до одних суток, находятся в толстом диске и гало Млечного Пути и часто встречаются в шаровых скоплениях. Млечный Путь содержит более 150 шаровых скоплений, примерно треть из которых образует почти сферическое гало вокруг его центра.
Внутренняя светимость этих RRL — их общая энергетическая мощность — относительно хорошо определяется с помощью соотношения, которое связывает период их пульсации, абсолютную величину и металличность (содержание элементов, тяжелее водорода и гелия, которые для астрономов являются «металлами»). Зная их абсолютную энергетическую мощность и энергию, которую они получают на Земле, можно вычислить их расстояние с помощью обратной квадратичной зависимости от расстояния.
В поисках гиперскоростных RRL ученые отбросили почти все, что не обладало необходимыми для их поиска свойствами, особенно спектроскопические измерения, дававшие радиальные скорости (удаленность от центра Галактики) с достаточно низкой погрешностью. Это значительно сократило соответствующий набор данных до 165 гиперскоростных RRL.
Расположение убегающих звезд и темная материя
Затем группа рассмотрела кривую света каждой звезды, выбрав доплеровские сдвиги для 87 таких светил, которые были наиболее надежными гиперскоростными звездами. (Из них семь имели тангенциальную скорость более 800 км/с.) Они разделились на две группы: одна была сосредоточена в направлении галактического центра Млечного Пути, а другая локализовалась вокруг Большого и Малого Магеллановых Облаков, двух неправильных карликовых галактик, расположенных вблизи Млечного Пути.
Их расположение и концентрация свидетельствовали о том, что они достигли гиперскорости благодаря механизму Хиллса (или подобному). Многие из них имели скорость, превышающую скорость убегания из Млечного Пути, и, вероятно, были выброшены из своих систем.
Команда предполагает, что будущие наблюдения спутника Gaia и спектроскопический анализ прольют свет по происхождению этих выбросов. Обнаружение убегающих звезд таким образом позволяет дальше изучать свойства гало Млечного Пути, что, надеемся, прольет свет на его темную материю, которая до сих пор остается одной из самых больших загадок современной физики.
По материалам phys.org
