научная статья по теме ВЕРОЯТНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРХСКОРОСТНОЙ ЗВЕЗДЫ В ГАЛАКТИКЕ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ВЕРОЯТНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРХСКОРОСТНОЙ ЗВЕЗДЫ В ГАЛАКТИКЕ»

УДК 524.6-34

ВЕРОЯТНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРХСКОРОСТНОЙ ЗВЕЗДЫ

В ГАЛАКТИКЕ

© 2015 г. Г. Н. Дремова1*, В. В. Дремов1, В. В. Орлов2,3, А. В. Тутуков4, К. С. Широкова2,3

'Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия

2Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия

3Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия

4Институт астрономии Российской академии наук, Москва, Россия Поступила в редакцию 24.01.2015 г.; принята в печать 13.03.2015 г.

Оценивается вероятность образования сверхскоростной звезды в сценарии Хиллса, описывающего динамический захват одного из компонентов двойной системы гравитационным полем сверхмассивной черной дыры в центре Галактики, приводящий к освобождению второго компонента. Для оценки вероятности использовалась статистика 10 000 начальных орбитальных ориентаций двойных систем. Большие полуоси двойных систем варьировались в широком диапазоне величин от 11.3 Яд до 425 Яд. Масса сверхмассивной черной дыры задавалась для двух серий расчетов равной 106 Мд и 3.4 х х 106 Мд. Расчеты численного моделирования сближения двойной системы и черной дыры, проводимые в рамках задачи трех тел и N-тел, позволили локализовать границы окрестности, благоприятной для образования сверхскоростных звезд. Проводились расчеты движения выброшенной звезды в регулярном поле Галактики и определялись условия ее ухода из Галактики. Оценивались вероятности ухода сверхскоростной звезды в зависимости от параметров задачи: начальной разделенности компонентов двойной и степени сближения двойной с черной дырой. Показано, что вероятность образования сверхскоростной звезды в среднем больше при более тесных сближениях и для более тесных пар.

001: 10.7868/80004629915110031

1. ВВЕДЕНИЕ

Сверхскоростные звезды представляют собой сравнительно новый, еще плохо изученный класс объектов, занимающих верхнее положение в кинематической иерархии звезд с аномально высокими пространственными скоростями. Понятие класса здесь вводится условно ввиду отсутствия строго обоснованной кинематической классификации. Речь идет о феноменологическом делении известных сегодня аномально быстро движущихся звезд Галактики на четыре группы.

Первая группа — высокоскоростные (highvelocity) звезды — включает старые (старше миллиарда лет) маломассивные объекты (0.1—0.5 М©) поздних спектральных классов (позднее M), движущиеся с пространственными скоростями от 60 до 300 км/с, что в несколько раз превосходит характерные пекулярные скорости звезд диска

E-mail: g.n.dryomova@mail.ru

(^20 км/с). Как правило, это звезды на орбитах с большими эксцентриситетами, которые принадлежат подсистеме гало и которые во время пересечения ими плоскости диска ускоряются гравитационным полем диска Галактики. Первые кандидаты в эту группу были обнаружены еще в начале XIX в. (61 Cyg, Грумбридж 1830, звезда Каптейна, звезда Бернарда и т.д.), но причины их быстрого движения были поняты лишь в 20-е гг. XX в. благодаря гипотезе Бертиля Линдблада о дифференциальном вращении Галактики.

Вторая группа — убегающие (runaway) звезды — была выделена в 60-е гг. XX в. Название этой группы, предложенное Блаау в 1961 г. [1], отражает главное их отличие от звезд первой группы, которые "падают" из гало в диск, тогда как представители второй группы участвуют в обратном движении — "убегают" из диска в гало. Пространственные скорости убегающих звезд меняются в том же диапазоне, что и скорости звезд первой группы, в отличие от которых

это — молодые (моложе 100 млн лет) массивные (1—70 MQ) звезды ранних (O, B, A) спектральных классов. Их природа, как впервые предложил Цвикки [2] в 1957 г., по-видимому, связана с распадом тесной двойной системы (ТДС) вследствие взрыва сверхновой типа SNI b/c. В пользу этого сценария свидетельствуют головные ударные волны сжатого вещества межзвездной среды, производимые убегающими звездами, которые хорошо регистрируются в наблюдениях, что способствует созданию систематизированного каталога убегающих звезд [3]. Альтернативный сценарий динамического выброса одной или нескольких звезд, обусловленный тесными кратными сближениями звезд в молодых рассеянных скоплениях и OB-ассоциациях диска, был предложен Поведой и др. [4] в 1967 г.

Третья группа — быстро убегающие (hyper-runaway) звезды — была открыта Напивоцким и Силвой в 2008 г. [5] в результате статистического анализа реконструированных траекторий выбросов, проведенного для 96 убегающих звезд Галактики. Этот анализ позволил восстановить зависимость скорости в точке выброса от массы выброшенной звезды. Реконструкция направления выброса указывает на верхние слои диска, что делает звезды этой группы родственными группе убегающих звезд, но, в отличие от последних, скорости звезд данной группы, оцениваемые в диапазоне от 300 до 500 км/с, превосходят скорости освобождения из Галактики в точках их наблюдения в гало. Пока что это малочисленная группа, включающая всего 10 представителей, наиболее известным из которых является звезда HD 271791 — сверхгигант спектрального класса B [6]. Анализ химического состава, выполненный для этой звезды [7], позволяет предполагать, что механизм ее образования такой же, как для группы убегающих звезд, с тем небольшим отличием, что на стадии предсверхновой оказывается звезда типа Вольфа—Райе, погруженная в общую оболочку со звездой-спутником, находящейся на главной последовательности. Для уточнения происхождения быстро убегающих звезд требуются систематические исследования этих объектов и массивных рентгеновских звезд с упором на сопоставление их статистики.

Четвертая группа — сверхскоростные (hyperve-locity) звезды — завершает кинематическую градацию звезд с аномально высокими скоростями в нашей Галактике. Хотя эта группа также малочисленна (к настоящему моменту обнаружен 21 объект [8]), можно уверенно заключить из анализа их пространственных скоростей, достигающих порядка ^1000 км/с, что это не связанные с Галактикой объекты. Оцененные из наблюдений скорости превышают галактическую скорость

освобождения в центральной части Галактики, не говоря уже о периферийных областях гало, где, как правило, обнаруживаются такие объекты. Их массы составляют порядка 3 М©, а спектральные классы позволяют относить их к В-звездам.

Важно подчеркнуть, что наблюдения подобных объектов не стали большой неожиданностью [9], так как они были предсказаны Хиллсом [10] в 1988 г. еще за четверть века до момента их открытия. Хиллс теоретически рассмотрел сценарий динамического захвата одного из компонентов ТДС сверхмассивной черной дырой (СМЧД), в результате которого второй компонент за счет сообщенного ему импульса может приобрести скорость порядка нескольких тысяч километров в секунду.

К настоящему моменту предложено несколько сценариев образования сверхскоростных звезд при участии черных дыр, массы которых варьируются от звездных масс до нескольких миллионов солнечных масс. Например — модель ударного рассеяния звезд на скоплении черных дыр звездных масс, которое по мере закручивания вокруг центральной СМЧД и активного взаимодействия со звездами отбрасывает их рикошетом с большими скоростями [11, 12]. Другая модель рассматривает погружение по спирали черной дыры промежуточной массы (103—104 М©) к галактическому центру, населенному звездами центрального скопления, динамическое трение о которые также способно сгенерировать сверхскоростные звезды [13, 14].

Основная проблема таких сценариев состоит в том, что они требуют богатого скопления звезд в окрестности галактического центра, где, как известно, располагается СМЧД. Численное изучение статистики гипотетических выбросов в рамках вышеприведенных сценариев, исходя из условия строгой корреляции возможной популяции сверхскоростных звезд (порядка 100 объектов в Галактике [15]) и звездного населения в центральной области с радиусом 0.01 пк, требует, чтобы заселенность последней составляла от 2000 до 20 000 звезд [16, 17].

Современные наблюдения центральной области Галактики размером около 0.1 пк регистрируют там скопление молодых ярких и массивных В-звезд, треть из которых находится на компланарных орбитах, а также старые красные гиганты [18]. Наблюдения в пределах 0.01 центрального парсека выявили лишь ^30 звезд спектрального класса В и среди них только одну В-звезду в радиусе 0.0014 центрального парсека [19, 20]. И дело не в технических возможностях современных наблюдений, не позволяющих пока "просвечивать" район Галактического центра, а в самой возможности нахождения и тем более образования большого количества

звезд в области приливных разрушений, являющейся окрестностью СМЧД. Кроме того, наблюдательных подтверждений присутствия в центральной части Галактики черных дыр промежуточных масс пока нет.

Таким образом, наиболее реалистичным остается сценарий рождения сверхскоростных звезд в результате динамического захвата ТДС в поле СМЧД [10]. Этот сценарий вероятен и с точки зрения согласования статистики открываемых сверхскоростных звезд и количества наблюдаемых B-звезд в окрестности галактического центра в предположении, что это бывшие компаньоны сверхскоростных звезд в родительских двойных системах, разрушенных полем СМЧД. Важно отметить, что данный сценарий не требует постоянной генерации двойных систем вблизи СМЧД, ограничиваясь потенциальной возможностью их захвата из центральной области радиусом около 10 пк, где число наблюдаемых двойных систем не менее 10 000 [21]. Это должны быть двойные системы, движущиеся вокруг СМЧД по орбитам с большим эксцентриситетом и пересекающие приливный радиус СМЧД, чтобы состоялось разрушение двойной системы с захватом одного из компонентов СМЧД и выбросом второго компонента с высокой скоростью из центра Галактики.

В настоящей работе производится оценка полной вероятности образования сверхскоростных звезд в рамках сценария Хиллса [10]. Данная работа является продолжением исследований природы сверхскоростных звезд в части вопроса максимально возможной скорости, приобретаемой звездой при ее выбросе, в за

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Астрономия»