УДК 524.3-325
ПРИРОДА САМЫХ БЫСТРЫХ ЗВЕЗД
© 2009 г. А. В. Тутуков, А. В. Федорова
Учреждение Российской академии наук Институт астрономии РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 20.03.2009 г.; принята в печать 07.04.2009 г.
Перечислены и проанализированы основные известные на сегодня механизмы ускорения пространственного движения звезд. Большая пространственная скорость звезды может быть следствием ее рождения на ранних стадиях эволюции массивной галактики, когда последняя была сфероидальной и нестационарной, а отдельные звезды рождались со скоростями, близкими к параболической скорости для этой галактики. Возможен прилет звезды из другой галактики с высокой пространственной скоростью относительно нашей Галактики. Распады неустойчивых тесных кратных систем или взрывы сверхновых звезд в тесных двойных системах могут приводить к появлению звезд главной последовательности со скоростями в несколько сотен км/с, вырожденных карликов, нейтронных звезд и черных дыр звездных масс со скоростями до ^1000 км/с. Слияние компонент тесной двойной системы, состоящей из двух нейтронных звезд, либо из нейтронной звезды и черной дыры, обусловленное излучением системой гравитационных волн, приводит к ускорению сформировавшейся черной дыры до скорости порядка 1000 км/с. К появлению сверхбыстрых релятивистских звезд может привести "односторонний" выброс нейтрино при образовании черной дыры или нейтронной звезды в ходе взрыва сверхновой звезды. Эффективными ускорителями пространственного движения звезд являются одиночные и двойные сверхмассивные (с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардов солнечных масс) черные дыры в ядрах галактик. Они способны ускорить до релятивистских скоростей даже звезды главной последовательности за счет своего гравитационного поля и быстрого орбитального движения (в случае двойных черных дыр).
РАС Б: 97.10.Wn, 97.10.Cv
1. ВВЕДЕНИЕ
В течение нескольких последних лет в гало нашей Галактики были обнаружены сверхбыстрые звезды со скоростями, доходящими до ^1000 км/с и массами в несколько солнечных масс. В 2005 г. Браун и др. [1,2] нашли в гало Галактики звезду с массой М ~ 3М© и гелиоцентрической радиальной скоростью ^860 км/с, что превосходит скорость убегания из Галактики. Позже были найдены еще несколько подобных звезд [2—13]. Перец [14] указывает, что в сфере с радиусом ^120 кпк вокруг центра Галактики обнаружено около сотни высокоскоростных звезд.
Звезды со сравнительно высокими скоростями были известны и ранее. Например, давно известны массивные звезды (М > 3М©) с пространственными скоростями до ^200 км/с, намного превосходящими обычные скорости движения (^20 км/с) этих сравнительно короткоживущих звезд, лишь "недавно" образованных в плоском газовом диске нашей Галактики [15]. Также давно известно, что очень высокими скоростями обладает часть одиночных радиопульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд: их пространственные скоро-
сти достигают ^1000 км/с [15, 16]. Недавно были найдены немногочисленные В-звезды со скоростями, доходящими до ^1000 км/с, что превосходит скорость ухода из Галактики [14].
В ходе многолетней работы рядом авторов были предложены и развиты несколько механизмов для придания массивным звездам высоких пространственных скоростей. Существование сверхскоростных радиопульсаров было успешно объяснено на основе предположения, что они являются продуктами распада тесных двойных звезд после второго взрыва сверхновой [15]. Однако открытие сверхбыстрых звезд в гало Галактики возобновило интерес к исследованию эффективных механизмов ускорения пространственного движения звезд в ходе их эволюции в галактиках. Такое исследование — сегодня одна из самых популярных тем в области звездной динамики. В последние годы были предложены новые сценарии, приводящие к появлению высокоскоростных звезд.
Настоящая статья содержит детальный анализ возможных сценариев (как давно известных, так и новых), приводящих к ускорению пространственного движения звезд. Кратко перечислим основные сценарии, обсуждаемые в статье.
1. Большая пространственная скорость звезды может быть следствием ее рождения на ранних стадиях эволюции массивной галактики, когда последняя была сфероидальной и нестационарной, а отдельные звезды рождались со скоростями, близкими к параболической скорости для этой галактики.
2. Возможен прилет звезды из другой галактики с высокой пространственной скоростью относительно нашей Галактики.
3. Эффективным механизмом ускорения движения звезд может быть распад неустойчивых тесных тройных систем.
4. Традиционный механизм ускорения движения звезд — взрыв сверхновой звезды в тесной двойной системе. Возможно, что этот механизм является основным каналом получения сверхбыстрых звезд.
5. Слияние компонент тесной двойной системы, состоящей из двух нейтронных звезд (НЗ), либо из нейтронной звезды и черной дыры (ЧД), обусловленное излучением системой гравитационных волн, приводит к ускорению сформировавшейся черной дыры до скорости порядка 1000 км/с.
6. Сверхскоростные звезды со скоростями, доходящими до релятивистских, могут возникать в результате взаимодействия тесных двойных систем с одиночной сверхмассивной ЧД (СМЧД) в ядре галактики.
7. Взаимодействие одиночных звезд с двойной сверхмассивной ЧД в ядре галактики также обеспечивает скорости, доходящие до релятивистских.
8. Скорости порядка нескольких сотен км/с могут быть получены при столкновении одиночной звезды с тесной двойной системой.
9. К появлению сверхбыстрых релятивистских звезд может привести "односторонний" выброс нейтрино при образовании черной дыры или нейтронной звезды в ходе взрыва сверхновой звезды.
Схематически основные рассмотренные в данной статье сценарии ускорения движения звезд изображены на рисунке.
Стоит кратко указать на эффекты наблюдательной селекции при обнаружении сверхбыстрых звезд. Большинство таких звезд имеет массы 3—4М© [17], однако это может быть результатом наблюдательной селекции, ибо только достаточно яркие звезды могут быть детально изучены на расстояниях порядка 100 кпк [11]. Другой неизбежный эффект наблюдательной селекции искажает распределение сверхбыстрых звезд в области самых высоких скоростей (более 1000 км/с), поскольку такие звезды быстро покидают не только место своего рождения, но и родительскую галактику. Действительно, наблюдения демонстрируют, что число высокоскоростных звезд быстро падает с ростом скорости, но статистика остается слишком
бедной для придания этому эффекту количественного характера, который позволил бы восстановить истинное распределение таких звезд по скоростям [11]. Поэтому можно предполагать, что действительные максимальные скорости сверхбыстрых звезд могут оказаться во много раз больше наблюдаемых сегодня скоростей ^1000 км/с. Для дальнейшего прогресса в изучении сверхбыстрых звезд необходимо детальное исследование далеких окрестностей нашей Галактики и межгалактического пространства. Это пространство — наиболее перспективное звездное поле для поиска сверхбыстрых звезд, поскольку со временем оно заполняется такими звездами.
Отметим, что термины "высокоскоростные", "сверхбыстрые" и "сверхскоростные" звезды мы будем в настоящей статье использовать как синонимы.
2. ПЕРВЫЕ ЗВЕЗДЫ МАССИВНЫХ ГАЛАКТИК
Давно стало известно, что самые быстрые звезды массивных дисковых галактик сосредоточены в их сферических компонентах. Их скорости порядка кеплеровских скоростей вращения звезд галактики. Массы этих звезд порядка солнечной или меньше. Большинство быстрых звезд сферической компоненты могут быть первыми звездами галактики, возникшими на стадии ее исходного коллапса, когда галактика была сфероидальной и нестационарной, а отдельные звезды рождались со скоростями, близкими к параболической скорости для этой галактики. Долгоживущие маломассивные первые звезды галактик, а также вырожденные карлики — продукты эволюции несколько более массивных звезд — сохраняют высокие скорости [18]. Если принять кеплеровскую скорость для галактики
ук ~ 220Ы11/4 км/с [19], где Ы11 — масса галактики в единицах 1011Ы©, то оценка скорости ухода звезды из галактики будет ~ 300Ы1/4 км/с. Для нашей Галактики кеплеровская скорость будет близка к ^200 км/с, а скорость ухода — к ^300 км/с [20]. Это, в частности, означает, что скорости звезд солнечной массы в гало нашей Галактики могут достигать ^300 км/с, но большинство известных до последнего времени быстрых звезд с такими скоростями является членами нашей Галактики, поскольку их скорости не достигают скорости ухода.
3. МЕЖГАЛАКТИЧЕСКИЕ СВЕРХБЫСТРЫЕ ЗВЕЗДЫ
Детальные исследования обнаружили, что часть звезд не связана с конкретными галактиками, но
Звезда + двойная СМЧД
Двойная звезда + СМЧД
Взрыв СН в тесной двойной системе
Первые
звезды
галактики
Прилет из
другой
галактики
Неустойчивая
тройная
система
Н3 + Н3 Н3 + ЧД (слияние)
Сверхбыстрая звезда
Основные сценарии ускорения пространственного движения звезд.
населяет межгалактическую среду скоплений галактик, демонстрируя при этом дисперсию скоростей ^1000 км/с [21, 22], что близко к дисперсии скоростей самих галактик в богатых скоплениях последних. Поскольку звезды рождаются только в галактиках, это значит, что звезды могут покидать родительские галактики либо в ходе столкновения последних между собой, либо в ходе каких-то процессов, происходящих в звездном мире самих галактик. Примером негалактической звезды может быть звезда НЕ 0437-5439 спектрального класса В 1У-Ш [23]. Ее химический состав и направление движения свидетельствуют в пользу того, что она была выброшена из Большого Магелланова облака (БМО) несколько сотен миллионов лет назад [24]. Гелиоцентрическая скорость этой звезды, равная 723 км/с, является суммой скорости БМО и скорости выброса этой звезды [24]. В работе Шер-вина и др. [25] изучаются звезды, выброшенные из Туманности Андромеды (М31).
Высокую вероятность потерять звезды имеют маломассивные галактики с массами 10—100 млн. масс Солнца, скорость ухода из которых может быть всего несколько десятков км/с. Распад маломассивных галактик в поле гравитации
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.