宇宙中的“速逃星”，為何突然逃逸了？

出品：科普中國

作者：郭彥君（中國科學(xué)院云南天文臺）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

在浩瀚無垠的宇宙舞臺上，星辰如沙，而早型速逃星（Early-type Runaway Stars）則是這片星海中最為神秘莫測的旅者。它們?nèi)缤挥钪婢奘置腿粩S出的飛鏢，以令人咋舌的速度劃破寂靜的虛空，留下一道道耀眼而短暫的軌跡。這些星辰大多誕生于銀河系的繁忙角落，或許是某個(gè)密集星團(tuán)或星云的心臟地帶，卻在某種未知力量的推動下，掙脫了原有的引力束縛，踏上了孤獨(dú)的流浪之旅。

何謂“早型速逃星”？

化學(xué)物質(zhì)在燃燒時(shí)，物質(zhì)中不同的溫度、元素會呈現(xiàn)出獨(dú)特的光譜和顏色。因此天文學(xué)家通過對天體的光譜分析，就能知道這個(gè)星體的元素組成及有效溫度。根據(jù)有效溫度的高低，天文學(xué)家將恒星光譜分為O、B、A、F、G、K、M以及R、N和S型。

通常，O、B、A型這些有效溫度較高的星被稱為“早型星”，有效溫度較低的K、M型星稱為“晚型星”。

其余稱為“中間型星”，大約30%的O型星和5%-10%的B型星，通常以大于30-40 km/s的本動空間速度在銀河系中運(yùn)動，差不多是火箭速度的1000倍，遠(yuǎn)超過大部分恒星正常的運(yùn)動速度。這些星星就是所謂的“速逃星”。速逃星，或者稱之為“宇宙中的急速逃亡者”，是一種特殊的恒星，它們不像大多數(shù)恒星那樣穩(wěn)定地圍繞銀河中心運(yùn)動，而是以很高的速度，迅速離開它們的誕生之地。

為何早型速逃星如此重要？

速逃星的形成機(jī)制研究對我們理解超新星爆炸模型、特殊雙星系統(tǒng)、雙星演化等具有重要意義。速逃星的形成機(jī)制主要可以歸結(jié)為兩種。一種是雙星超新星圖景（如圖1），當(dāng)兩顆恒星靠得非常近時(shí)，就會結(jié)合成為一個(gè)相互繞轉(zhuǎn)的雙星伙伴。

圖1：速逃星的雙星超新星形成途徑

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

在這對伙伴中，當(dāng)質(zhì)量更大的恒星在經(jīng)歷非對稱核坍縮超新星爆炸時(shí)，其伴星會被拋射出從而形成速逃星。此外，在密集的星團(tuán)中，星星們?nèi)缤缃晃钑系膮⑴c者，不斷地互相穿梭交錯(cuò)。在這種高密度的環(huán)境中，多體系統(tǒng)的復(fù)雜相互作用可以意外地將某些星星推出原本的舞臺，成為穿越銀河系的獨(dú)行俠（動力學(xué)拋射圖景見圖2）。

圖2：速逃星的動力學(xué)彈射途徑

（圖片來源：ESA/Hubble Media）

LAMOST全稱為“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”，又稱“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”，是由中國科學(xué)院國家天文臺承擔(dān)研制的我國自主創(chuàng)新的、世界上口徑最大的大視場兼大口徑及光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡，可以獲取大量光學(xué)光譜。

Gaia為蓋亞全天天體測量干涉儀（Global Astrometric Interferometer for Astrophysics）的簡寫，是歐洲空間局最重要的項(xiàng)目之一，它的問世將人類的天體測量精度大幅提升，也將為解決與銀河系的起源、結(jié)構(gòu)和演化歷史有關(guān)的一系列重要問題提供所需的數(shù)據(jù)。

基于最新觀測設(shè)備獲取的大量樣本數(shù)據(jù)，速逃星的面貌也在天文學(xué)家的眼前更加清晰。在過去的觀測研究中，已有一些速逃星被發(fā)現(xiàn)但是多數(shù)樣本缺乏一致性視向速度的測量信息，本次發(fā)現(xiàn)的229顆早型速逃星是目前已知基于Gaia天測數(shù)據(jù)速逃星研究中，具有一致性視向速度且數(shù)量最大的樣本。

視向速度在天文學(xué)中通常也被稱為徑向速度（Vr），是指物體（如天體）在觀察者視線方向上的運(yùn)動速度。這一速度分量反映了物體朝向或遠(yuǎn)離觀察者的動態(tài)特性。視向速度、切向速度、共同構(gòu)成了空間速度，對于研究天體的運(yùn)動規(guī)律、探索宇宙的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性具有重要意義。而投影自轉(zhuǎn)速度可以用于推斷天體的真實(shí)自轉(zhuǎn)速度。

根據(jù)這批樣本的投影自轉(zhuǎn)速度和空間速度分布，研究人員發(fā)現(xiàn)，在該樣本中，大部分速逃星具有較小的投影自轉(zhuǎn)速度和空間速度，但幾乎沒有同時(shí)具有較大的投影自轉(zhuǎn)速度和空間速度的速逃星（如圖3）。這一特征可能與速逃星的形成途徑密切相關(guān)。

圖3：速逃星本動空間速度與投影自轉(zhuǎn)速度的關(guān)系

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

研究人員進(jìn)一步探究了速逃星樣本在銀河系中的空間位置分布，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)速逃星可能位于銀河系薄盤內(nèi)。通過對該樣本中具有多次視向速度測量值的速逃星進(jìn)行軌道分析，研究人員還發(fā)現(xiàn)了兩顆可能是速逃星雙星的樣本，其軌道周期分別為40天和61天。

結(jié)語

速逃星在研究銀河系結(jié)構(gòu)和超新星爆炸等前沿課題中扮演著重要角色。接下來，研究人員還將基于這些更具統(tǒng)計(jì)意義的參考樣本，繼續(xù)研究速逃星的起源。隨著天文觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步和數(shù)據(jù)分析能力的持續(xù)提升，我們將會有能力去穿透星際塵埃，捕捉那些遙遠(yuǎn)星系最微弱的光芒，將海量的天文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為揭示宇宙奧秘的金鑰匙。終有一天，速逃星的奧秘將被我們逐一揭開，成為連接恒星演化、星系動力學(xué)乃至宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵橋梁。

參考文獻(xiàn)：

1.Renzo, M., Zapartas, E., de Mink, S. E., et al.2019, A&A, 624, A66.

2.Guo, Y., Wang, L., Liu, C., et al. 2024, ApJS.