Поиск сбежавших звезд поможет составить карту темной материи в Млечном Пути

Сверхскоростные звезды с 1920-х годов стали важным инструментом, позволяющим астрономам изучать свойства галактики Млечный Путь, такие как ее гравитационный потенциал и распределение материи. Теперь астрономы из Китая провели масштабный поиск сверхскоростных звезд, используя особый класс звезд, известный своим отчетливым, регулярным и предсказуемым поведением пульсаций, что делает их полезными в качестве индикаторов расстояний.

Их исследование опубликовано в Астрофизический журнал.

Скорость убегания любой планеты, звезды или галактики — это скорость, необходимая для того, чтобы масса, покидающая поверхность объекта, полностью и точно покинула гравитационный колодец планеты, стремясь к бесконечности. Скорость убегания Земли составляет 11,2 километра в секунду (км/с).

Любая масса, покинувшая поверхность с такой же начальной скоростью, без дополнительной энергии покинет гравитационное поле Земли. Примерами являются камни, выброшенные с Земли столкнувшимся астероидом (как это произошло с камнями, которыми обменивались Земля и Марс), или возможный побег стальной крышки, закрывающей дыру от подземного ядерного взрыва 1957 года в Неваде (если только крышка не испарилась, когда она поднималась в космос со скоростью, примерно в шесть раз превышающей земную скорость убегания).

Скорость убегания от Солнца составляет 618 км/с (но всего 42 км/с от положения Земли) и около 550 км/с от положения Солнца в Млечном Пути. Гиперскоростные звезды (HVS) имеют тангенциальную скорость 1000 км/с и более, что делает их гравитационно независимыми от Млечного Пути.

Наиболее ярким способом возникновения HVS является гравитационное взаимодействие со сверхмассивной черной дырой Стрелец А* в центре Млечного Пути.

Механизм Хиллса, впервые предложенный астрономом Джеком Хиллсом в 1988 году, заключается в том, что одна звезда двойной пары захватывается черной дырой, а другая отбрасывается от черной дыры на высокой скорости.

Подобную выброшенную звезду впервые наблюдали в 2019 году, когда она удалялась от ядра Млечного Пути со скоростью 1755 км/с (0,6% скорости света), что превышает скорость убегания из центра галактики. Такие звезды также являются прямым доказательством существования сверхмассивных черных дыр в галактических центрах и их свойств.

Более того, прослеживая траектории убегающих звездУченые могут составить карту гравитационного потенциала Млечного Пути — того, как массы взаимодействуют внутри галактики, — включая распределение темной материи в гало, огромном сферическом объеме, окружающем диск галактики.

Руководствуясь этими мотивами, три астронома из пекинских научных учреждений во главе с ведущим автором Хаочжу Фу из Пекинского университета начали поиск HVS, начав со звезд RR Лиры (RRL). Это старые гигантские звезды, пульсирующие с периодом от 0,2 до одного дня, обнаруженные в толстом диске и гало галактики Млечный Путь и часто в шаровых скоплениях. (Млечный Путь содержит более 150 шаровых скоплений, около трети из которых расположены в почти сферическом ореоле вокруг центра Млечного Пути.)

Собственная светимость этих RRL — их общая выходная энергия — относительно хорошо определяется соотношением, которое связывает период их пульсации, их абсолютную величину и их металличность (обилие элементов тяжелее водорода и гелия, которые для астрономов являются «металлами»). Знание их абсолютной выходной энергии и энергии, полученной на Земле, позволяет рассчитать расстояние до них на основе соотношения расстояний, обратного квадрату.

Один из опубликованных звездных каталогов содержал 8172 RRL из Слоановский цифровой обзор неба а расширенный каталог содержал 135 873 RRL, металличность и расстояние которых оценивались на основе фотометрии Gaia, которые представляют собой измерения яркости звезд, наблюдаемые спутником Gaia, запущенным Европейским космическим агентством в 2013 году.

В поисках гиперскоростных RRL они исключили почти все, что не имело свойств, необходимых для их поиска, особенно спектроскопические измерения, которые давали лучевые скорости (вдали от центра галактики) с достаточно низкими неопределенностями. Это резко сократило соответствующий набор данных до 165 гиперскоростных RRL.

Затем группа посмотрела на каждую звезду. кривая блескавыбрав доплеровские сдвиги для 87 таких звезд, которые были наиболее надежными сверхскоростными звездами. (Из них семь имели тангенциальную скорость выше 800 км/с.) Они разделились на две группы: одна была сосредоточена в направлении галактического центра Млечного Пути, а другая локализована вокруг Магеллановых Облаков, Большого и Малого, двух неправильных карликовых галактик, расположенных вблизи Млечного Пути.

Их расположение и концентрация предполагали, что они достигли статуса гиперскорости благодаря механизму Хилла (или аналогичному). Многие из них имели движения, превышающие скорость убегания Млечного Пути, вероятно, выброшенные из своих систем-хозяев.

Команда подозревает, что будущие наблюдения со спутника Gaia и спектроскопический анализ прольют свет на происхождение этих выбросов. Идентификация сбежавших звезд таким способом позволяет продолжить изучение свойств гало Млечного Пути, что, как мы надеемся, прольет свет на его темную материю, которая до сих пор остается одной из самых глубоких загадок во всей современной физике.

© 2025 Сеть Science X