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这些星球真的在“流浪”!

来源:光明网2019-04-01 13:50

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  从《流浪地球》到 “流浪星球”

  2019年大年初一,中国首部科幻电影《流浪地球》全国首映。这部电影改编自刘慈欣的同名小说,讲述了一个发生在不远未来的故事。那个时候,太阳急速衰老,随时可能膨胀为一个红巨星,地球也即将被吞噬。在那危急存亡关头,地球上的联合共和国提出一个名为“流浪地球”的自救计划。为此,人类在地球上建造了上万座重核聚变发动机,推动地球离开现有轨道,驶向距离太阳系最近的一颗恒星,地球也因此开启一段长达2500年的星际旅行。

这些星球真的在“流浪”!

正在驶离太阳系的地球(图片来源:网络)

  地球从太阳的“魔掌”中挣脱,寻找宇宙深处另一个家园是作家大胆的想象和对人类未来美好的愿景。不过,地球和人类或许等不到那一天的到来就“卷入”另外的命运旋涡,比如银河系和仙女座星系的迎头相撞。

  其实,刘慈欣展示的“流浪地球”并非假想,在浩瀚银河系中真实存在着这样的“流浪星球”。它们像地球逃离太阳的一样,挣脱了银河系的“控制”,在更加深邃的星际空间“游荡”,天文学家给这些稀有的“流浪星球”取名为超高速星。

  流浪星球的预言

  科学上的重要发现一般分为两种情况:一种是先有理论预言再通过新的发现证实理论,另一种则是先有新的发现再从理论上试图给出合理的解释。超高速星的发现属于第一种。1988年,美国天文学家Hills首次预言并命名了超高速星,所以这个名字着实是个货真价实的 “八五后”。

这些星球真的在“流浪”!

超高速星逃离银河系的假想图(图片来源:网络)

  Hills预言:银河系中心超大质量黑洞通过巨大的潮汐力“拆散”周围的双星系统,其中一颗星被超大质量黑洞“捕获”,围绕着黑洞运动(称为“S星”),另一颗星则以非常高的速度被“抛射”出去,并最终从银河系“逃离”。因此,超高速星需要满足两个条件:一是诞生于银河系中心,另一个是具有能够从银河系逃逸的超高速度。

  在银河系数以千亿的恒星中,绝大多数恒星都在以每秒钟几公里或者几十公里的速度围绕着银河系中心运动。对于能够从银河系“逃跑”的超高速星,它们应该至少以多大的速度运动呢?银河系不同位置处的逃逸速度不同,假设一颗恒星距离银心大约10千秒差距(约32,620光年),能够从此处逃离银河系的超高速星大约至少需要每秒钟600公里的速度。相比银河系中大多数普通恒星,超高速星的速度几倍甚至几十倍于它们。

  地球上运动速度最快的大概是飞机吧,假设它们的速度是每小时1000公里,那么超高速星的速度大约至少是飞机速度的2000多倍。怎么样,这样直观地比较,有没有让你感受到超高速星的“速度与激情”?此刻,笔者不禁浮想联翩,如果乘坐像超高速星那么快的飞机从北京前往纽约,只需要短短几十秒!

  在Hills理论基础上,更多动力学模型相继被提出,它们都试图解释“流浪星球”的“出身”问题。例如,中国天文学家于清娟提出的恒星与银河系中心双超大质量黑洞的动力学模型、美国天文学家瑞安提出的恒星、银河系中心超大质量黑洞和围绕着超大质量黑洞的恒星质量黑洞的动力学模型、以及加拿大天文学家阿巴迪提出的银河系潮汐力“撕裂”矮星系模型。不管哪种动力学模型,人们认为大约每一万年产生一颗超高速星。按照这个“生产效率”,距离银河系中心10 千秒差距的范围内,大约有1000颗超高速星。我们知道,这个范围内大约有1011颗恒星。这意味着每108个恒星中才出现一颗超高速星。

  还有一种被天文学家称为 “超高速逃逸星”的恒星,它们同样能够逃离银河系。与Hills的定义不同,“超高速逃逸星”诞生于银盘上致密的恒星团中。如果将超高速星的定义宽泛到:能够从银河系逃逸而不考虑“起源地”和产生机制,那么“超高速逃逸星”无疑是超高速星中的一类。理论研究表明:与超高速星相比,“超高速逃逸星”的数量更加稀少。银河系晕里,大约每100颗超高速星中才有一颗“超高速逃逸星”,它们一般沿着银盘转动方向被“发射”出来的,其中约90%分布在银纬小于25度的区域。

  那些年发现的你们

  诸多理论预言“流浪星球”的存在后,天文学家们当然希望能尽早发现它们。然而,捕获超高速星这个银河系“逃犯”犹如大海捞针,科学家们勤勤恳恳工作之余需要好运气的“关照”。好在,人类是幸运的。2005年,美国天文学家布朗在蓝水平分支星中意外发现了第一颗超高速星,这是一颗已经“飞”到遥远银河系晕中的B型主序星,以超过每秒700公里的速度“逃离”银河系。还是2005年,德国天文学家艾德曼和赫希在银河系晕中相继发现一颗B型和一颗O型超高速星,不得不说,这一年是超高速星研究历史上的一个里程碑。

  历经十多年的努力,超过20颗“流浪星球”被发现,它们都是已经“飞”到遥远的银河系晕中的早型恒星(光谱型为O,B或者A型)。这种情形下,人们不禁会问,为什么一颗光谱晚型(F/G/K/M)超高速星都没有找到呢?这样的恒星是否真的存在?带着诸多疑问,在国内外多位研究人员的努力下,几十颗晚型超高速星候选样本先后被发现。不过,未来更加精确的自行和距离测量才能证实它们到底是不是“流浪星球”。

  2018年4月底,欧洲航天局发射的盖亚卫星(Gaia)发布了迄今为止最精确的距离和自行测量数据。结合盖亚数据系统发现 “流浪星球”的多个项目已经启动,相信在不久的将来,更多早型超高速星将被发现,关于晚型超高速星的秘密也将被揭开。

  LAMOST让我 “邂逅”你

  LAMOST是中国天文学家自主研制的第一台大规模光谱巡天望远镜,能够同时观测4000个天体,是目前世界上光谱获取效率最高的望远镜。LAMOST好像拥有4000个“小眼”的“复眼”,快速而敏锐的捕获深空中暗弱的光学信号。与昆虫的复眼不同,LAMOST的 “小眼”获得的是4000个不同的信号,而昆虫的“小眼”获得的是同一个信号的不同部分,复眼需要“整合”所有“小眼”的信号才能获得一个完整的信号。

这些星球真的在“流浪”!

夜空下的LAMOST(图片来源:LAMOST运行与发展中心)

  2014,美国犹他大学的研究团队在LAMOST第一年的数据中发现了一颗银河系晕中的B型超高速星。三年后,北京大学研究团队在LAMOST一期巡天的数据中又发现了2颗银河系晕中的B型超高速星。

  2018年,国家天文台李荫碧等人在LAMOST观测数据中发现了一颗新的B型超高速星(LAMOST-HVS4)。研究团队发现:这是迄今为止使用LAMOST数据发现的距离银河系中心最远且视向速度(相对于银河系中心)最快的超高速星。这颗星被发现的同时,盖亚卫星发布了DR2数据。使用盖亚的数据,研究团队获得了LAMOST-HVS4迄今为止最可靠的自行数据。遗憾的是,由于距离太遥远,盖亚卫星并未提供这颗星可靠的距离测量,研究团队只能使用其它方法估算距离,并计算它在银河系中所处的位置和空间运动速度等。

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盖亚卫星(图片来源:https://en.m.wikipedia.org/wiki/Gaia_(spacecraft))

  对于“流浪星球”而言,研究它们的“出身”是非常重要的,这项工作可以帮助天文学家弄清楚到底什么样的物理过程为这颗星提供了如此大的能量,让它们以如此高的速度奔向宇宙深处。研究“出身”问题需要做大量的模拟实验,研究团队使用国家天文台网络中心提供的阿里云服务器以并行运算方式快速高效完成实验,结果显示:这是一颗从银盘(太阳附近)产生的B型超高速星,准确地说是一颗“超高速逃逸星”。

  这是LAMOST发现的第一颗“超高速逃逸星”,此前仅有三颗此类恒星被报道。与理论预言一致,LAMOST-HVS4几乎沿着银盘转动的方向被“喷射”出来,它被抛射的方向与银盘运动方向的夹角是此前报道过的“超高速逃逸星”中最小的。“超高速逃逸星”与银心“诞生”的超高速星一样,是人们研究银河系的重要天体,它们可以用来寻找新的恒星形成区以及研究银盘结构等问题。

  迄今为止,4颗早型“流浪星球”已被LAMOST捕获,几十颗晚型“流浪星球”候选样本被LAMOST发现。随着项目的继续深入,我们有理由相信:更多像“流浪星球”一样有趣而重要的物理现象将不断被LAMOST发现,中国自主创新研发的望远镜将在人类天文学研究历史中留下浓墨重彩的一笔。

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国家天文台-阿里云天文大数据联合研究中心云服务示意图(图片来源:国家天文台信息中心)

  作者介绍:罗阿理,系中国科学院国家天文台研究员,博士生导师,LAMOST运行与发展中心数据处理部主任,主要从事海量天体光谱分析等领域研究;李荫碧,系中国科学院国家天文台副研究员,主要从事超高速星以及海量光谱分析等领域研究。

[ 责编:蔡琳 ]
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