【知道SET】“星际旅行者” 超高速星

本集主题：“星际旅行者”— 超高速星

主讲人：黄样

所在单位：云南大学中国西南天文研究所

如果你足够幸运，住过偏远的乡村，那么你一定领略过浩瀚的星空。那里有着上千亿颗如同太阳的恒星，以约两百公里每秒（588马赫）左右的速度稳定地绕着银河系中心转动，组成了将牛郎与织女分开的银盘-也就是我们俗称的银河。

大家一定会问这些恒星为什么会老老实实地绕着银河系中心高速转动呢？答案很简单—万有引力。为了抵抗银河系巨大的引力势，恒星保持高速转动产生向心力，就像发射的地球卫星需要在轨道上保持一定的转动速度来抵抗地球的引力。那么对于拥有如此巨大引力势的银河，是否有恒星可以挣脱它的束缚呢？答案是有，这就是我们今天要聊的主角—超高速星。

讲超高速星前，我们先来熟悉下高中物理里提到了几个宇宙速度的概念，其中第一宇宙速度指物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，也称航天器最小发射速度、航天器最大运行速度、环绕速度等，这个速度大致为7.9公里每秒；第二宇宙速度是指航天器的速度大到会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度就叫做第二宇宙速度，亦称脱离速度，所谓摆脱地球束缚，就是几乎不受地球引力影响，这个速度大小约为11.2公里每秒；第三宇宙速度是指从地球表面发射航天器，飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小发射速度，亦称逃逸速度，该速度大小约为16.7公里每秒。年初上映的一部非常火的国产科幻电影《流浪地球》其中地球需要逃脱太阳系太阳系飞往比邻星所要的速度就是第三宇宙速度。

大家自然会接着问下去，那么第四宇宙速度，也即在太阳位置处逃逸银河系的速度是多大？这个问题目前还没有准确的答案，天文学家们还在努力地想着各种办法去估算它（以后有时间可以和大家系统聊聊）。但可以肯定的是这个速度比前三个宇宙速度至少大一个量级，约为500-700公里每秒（原因很简单，大家联想下我前面提到的普通恒星的绕转速度）。这个速度对于目前人类的航空技术而言是不可企及的，也就是说目前人类目前的星际遨游也仅仅局限于太阳系。

我们今天要讲的主角-超高速星，不像我们太阳系这么平凡，只能老老实实地绕着银心转动，它自带光环，因为某种“机缘巧合”获得了超大的动能，大到可以逃离它当地的第四宇宙速度。因此，它是名副其实的“星际旅行者”，可以轻松带着它的行星系统遨游整个星际。

如果说用一句话来描述超高速星的现状，我想台湾作家三毛《橄榄树》中的歌词最为贴切：“不要问我从哪里来，我的故乡在远方，为什么流浪，流浪远方，流浪”。是的，它就像一个孤独的“星际旅行者”，流浪远方，不问出处。然而，它实际上是由理论学家率先提出的，也就是说这一类恒星起初是想象出来的，没人敢确定它在银河系中的存在。

1988年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室理论部著名天体物理学家杰克·希尔斯提出了一个间接证明银河系中心存在黑洞的证据—即在银河系存在超高速星。这个推论的原理很简单：银河系中心有着非常高的恒星数密度，如果银心存在黑洞，一定有双星系统与中心黑洞进行相互作用，当它们的作用满足一定条件时，双星中的一颗被黑洞的引力势捕获成为所谓的S恒星，那么另一颗就会被弹出成为超高速星，其典型速度可以达到1000 km/s (1/30光速)。这一产生超高速星的原理后来就被命名为希尔斯机制。

银河系中心的双星与中心黑洞作用示意图。其中一颗被黑洞引力势捕获成为S恒星，另一颗则被弹出成为超高速星

然而，希尔斯提出的寻找超高速星作为银河系中心黑洞存在的证据对于当时的观测太过于挑战。直到21世纪初，天文学家通过对银心附近恒星长时间监测的轨道信息确定了银心存在一个4百万太阳质量的超大质量黑洞，我们对超高速星是否存在仍然一无所知。实际上，在希尔斯提出银心大质量黑洞弹出超高速星理论之后的17年间，天文界只有区区两篇文章在研究超高速星：包括希尔斯自己的那篇文章，另外一篇则是另一组理论研究者加拿大理论天体物理研究所博士后于清娟博士（现任北京大学科维理天体物理与天文研究所教授）和普林斯顿大学斯科特·屈里曼教授提出了如果银河系中心存在双黑洞可以与单星相互作用产生超高速星。

希尔斯机制弹出超高速星想象图（取自Roen Kelly）

事情的转机发生在2005年，在希尔斯提出超高速星整整17年后，美国哈佛大学史密森天体物理中心的沃伦·布朗博士从SDSS巡天中成功地找到了第一颗超高速星，从观测上证实了超高速星的真实存在，该星是一颗距银心约100kpc的B型星，质量约为3个太阳质量，它的视向速度达到了惊人的670公里每秒，（保守估计）比它当地的“第四宇宙速度”（也即逃逸速度）整整大了两倍。超高的视向速度也让这颗星的起源直指银心，非常符合17年前希尔斯提出的被银心黑洞弹出的超高速星，这也让超高速星的提出者希尔斯回应：“是时候发现它了”，终于了却了一个理论天体物理学家的心愿。

自希尔斯提出超高速星的概念后关于超高速星研究的文章发表数

2005年对于超高速星领域注定是不平凡的一年，因为除了沃伦·布朗还有另外一个来自德国埃尔兰根-纽伦堡大学天文研究所的小组几乎同时找到了另外两颗奇特的超高速星。他们仅仅在沃伦·布朗发现了第一颗超高速星后的一个月就发表了第二颗超高速星，这是一颗B型巨星，质量非常大（约11个太阳质量），这颗星距太阳只有21kpc，总速度达到了630公里每秒，利用它的三维位置和速度进行轨道积分发现它不起源于银心而是来自银盘外围，从而挑战了希尔斯机制。同年11月份该小组发现了迄今为止速度最大的超高速星US708，该星是一颗热亚矮星，质量约为0.3个太阳质量，通过后续的轨道和恒星演化模型的分析发现该星也不符合希尔斯机制，而更有可能是由于超新星爆炸弹出的伴星，再次挑战了希尔斯机制。

从2005年在超高速星发现上的大爆发，直接催使了更多的理论和观测天文学家加入到了超高速星的研究领域上，在这之后的数十年里，理论天文学家又提出了数种产生超高速星的理论，观测天文学家利用不同的设备将超高速星发现的数目提高了一个量级，这其中（无论是理论还是观测）也有不少来自我们中国天文学家的贡献，因为时间关系，我们将在下一集详细讲述2005年之后那段超高速星研究大爆发的历史。

知识点总结

几种宇宙速度：第一宇宙速度指飞行器绕转地球的大运行速度或最小发射速度；第二宇宙速度指逃离地球引力束缚的最低速度；第三宇宙速度指逃离太阳球引力束缚的最低速度；第四宇宙速度指逃离太阳位置处银河系引力束缚的最低速度。

超高速星：指能逃离其所在位置处银河系引力束缚的恒星。

希尔斯机制：黑洞与双星相互作用，捕获其中一颗恒星并将另一颗弹出称为超高速星。

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