Шаровые звездные скопления постоянно выбрасывают звезды из Галактики

Такие звезды называются гиперскоростными, и некоторые из них рождаются в результате мощного гравитационного взаимодействия в шаровых скоплениях.

Шаровые скопления (ШС) – это тесно связанные группы звезд, расположенные во внешнем гало Млечного Пути. Они могут содержать миллионы звезд, которые старше и имеют более низкую металличность по сравнению с общей популяцией. Их происхождение неясно, но Млечный Путь (МП) содержит не менее 150 шаровых скоплений и, возможно, гораздо больше.

Их ядра плотно заполнены звездами, и плотная среда может привести к мощному гравитационному взаимодействию. Эти взаимодействия могут разгонять отдельные звезды до чрезвычайно высоких скоростей. Высокие скорости могут нарушить гравитационное притяжение МП, и они могут вырваться в межгалактическое пространство.

Астрономы, вооруженные все более мощными технологиями наблюдения, начинают обнаруживать все больше таких звезд и прослеживать их происхождение. Но что именно скрывается за этими звездами и сколько их всего, еще предстоит выяснить. В новом исследовании используются наблюдения и моделирование для определения популяции бегущих звезд в МП и их источников.

Исследование называется “Убегающие и гиперскоростные звезды от столкновений компактных объектов в шаровых скоплениях”. Авторы работы – Томас Кабрера и Карл Л. Родригес из Университета Карнеги-Меллон и Университета Северной Каролины, соответственно. Статья еще не прошла рецензирование.

Большинство звезд рождается во встроенных скоплениях. Со временем эти скопления рассеиваются, и звезды, как наше Солнце, вращаются вокруг центра галактики, связанные мощной гравитацией Млечного Пути. Другие звезды входят в состав либо открытых скоплений, либо шаровых скоплений. Когда звезда вырывается из своего скопления, астрономы называют ее бегущей звездой. Если она движется достаточно быстро, чтобы покинуть Млечный Путь, астрономы называют ее гиперскоростной звездой (ГСЗ).

Астрономы заметили множество бегущих и гиперскоростных звезд с помощью телескопов, таких как “Хаббл”.

Классическое определение гиперскоростной звезды взято из статьи Джека Хиллса, опубликованной в журнале Nature в 1988 году. В то время сверхмассивные черные дыры в центре галактик были теоретическим, но не доказанным явлением. Хиллс объяснил, что когда бинарная звезда взаимодействует со сверхмассивной черной дырой, сверхмассивная черная дыра захватывает одну из звезд и выбрасывает другую на большой скорости. Это называется “механизмом Хиллса”, и астрономы считают, что он может разгонять звезды до скорости 4 000 км в секунду. Естественно, это означает, что гиперскоростные звезды являются свидетельством СМЧД и могут быть использованы для зондирования центра Млечного Пути, где находится СМЧД.

Астрономы обнаружили первые гиперскоростные звезды в 2005 году, и он возникли в галактическом центре. За прошедшие годы астрономы обнаружили больше гиперскоростных звезд, которые также исходили из галактического центра и взаимодействовали со сверхмассивной черной дырой. Но они также обнаружили гиперскоростные звезды, которые возникли не в галактическом центре. Два различных механизма могут создавать такие гиперскоростные звезды: бинарная сверхновая звезда, когда одна звезда взрывается и разгоняет свою спутницу на большой скорости, и сценарии динамического выброса, сильные взаимодействия между тремя или четырьмя звездными объектами. Именно здесь и возникают глобальные скопления.

«Шаровые скопления являются очевидными матрицами-кандидатами для обоих этих событий из-за их высокой звездной плотности, но сценарий динамического выброса может быть исключительно усилен из-за присутствия подсистем ЧД в центрах ШС», — пишут авторы. Здесь они намекают на то, что астрономы обнаружили в некоторых ШС черные дыры звездной массы.

В своей статье авторы сосредотачиваются на столкновении двойных звезд и одиночных звезд с компактными объектами (BSCO = Binary-Single Compact Object). Компактные объекты — это звездные остатки, такие как белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Эти объекты оказывают мощное гравитационное воздействие на звезды, подошедшие слишком близко, и могут вытолкнуть их за пределы ШС. Взрывы сверхновых могут объяснить появление некоторых убегающих и сверхскоростных звезд, но это исследование было сосредоточено только на гравитационных взаимодействиях, которые гораздо более вероятны в ШС из-за плотной группировки объектов в их ядрах.

«Мы изучаем высокоскоростные звездные выбросы, исходящие из ШС, с помощью моделей N-тел Монте-Карло», — пишут авторы. Моделирование методом Монте-Карло широко используется в астрономии. Астрономы используют их для оценки возможных результатов события, результаты которого не являются определенными. Моделирование N тел также является обычным инструментом в астрономии. Они моделируют взаимодействия между телами и рассматривают каждое тело как частицу.

Пара исследователей сопоставила наблюдения ШС Млечного Пути с моделями N тел, чтобы получить синтетическую популяцию звездных выбросов в МП. Они обнаружили, что ШС могут выбрасывать звезды с большей скоростью, чем предполагалось, до 2000 км в секунду. До получения этих результатов астрономы не думали, что столкновение только со звездами может разогнать звезды до таких высоких скоростей и что это может сделать только механизм Хиллса.

Эти результаты показывают, что в ШС происходит нечто большее, чем считалось, и что СМЧД – не единственное, что может привести звезды в движение до галактических скоростей бегства. Это, вероятно, означает, что существует больше сверхскоростных звезд, чем считалось ранее. А поскольку астрономы не могут определить происхождение всех ССЗ, это усложняет идентификацию механизмов их выброса.

Шаровые скопления могут испытывать коллапс ядра, особенно если в них присутствует черная дыра звездной массы. Эти коллапсы могут приближать объекты друг к другу, создавая более динамичные взаимодействия, которые могут выталкивать отдельные звезды из ШС с большими скоростями.

ШС также рассеиваются, расширяются и теряют массу с течением времени. Поскольку плотность в их ядрах уменьшается, происходит меньше столкновений между бинарными и одиночными компактными объектами и меньше выбросов ССЗ. Существует связь между выбросами бинарных и одиночных компактных объектов и возрастом ядра ШС, где происходят тесные встречи. По мере старения и потери массы ШС выбрасывает меньше звезд. Поэтому модели исследователей показали, что большинство выбросов, причем самых быстрых, происходят на ранних этапах эволюции ШС.

“В нашем исследовании делается вывод о том, что, хотя коэффициент убегания ШС с одиночными бинарными компактными объектами, возможно, составлял 10% от общего показателя в первые несколько лет существования МП, в настоящее время он, вероятно, составляет не более 1% от того же показателя”, – заключают авторы.

В некоторых недавних исследованиях астрономы сильно полагались на скорость, чтобы показать, что гиперскоростные звезды должны исходить из центра галактики из-за взаимодействия со СМЧД. Но эта статья показывает, что, возможно, пришло время переосмыслить ее. Картина может оказаться не такой четкой, как предполагалось, и скорость не всегда может быть решающим фактором.

Предстоит проделать еще больше работы, прежде чем астрономы смогут разгадать ССЗ и их происхождение. Модели и симуляции являются мощными инструментами и играют важную роль в астрономии. Но наблюдения всегда вносят ясность, и более полный обзор ССЗ в Млечном Пути, несомненно, прояснит их происхождение.

После того, как миссия ЕКА Gaia опубликовала свой второй набор данных в 2018 году, астрономы обнаружили 20 звезд из 7 миллионов, которые достаточно быстры, чтобы покинуть Млечный Путь. Gaia опубликовала свой третий набор данных в июне 2022 года, и он содержит данные из 1,8 миллиарда различных источников. Возможно, во всех этих данных больше ССЗ, и это внесет больше ясности.

Но какой бы ни была окончательная картина, похоже, что шаровые скопления все еще выбрасывают звезды из галактики.