Najszybsze gwiazdy w Drodze Mlecznej pochodzą z innej galaktyki

Wizja artystyczna przedstawiająca gwiezdnych uciekinierów. Źródło: Amanda Smith

Grupa astronomów wykazała, że najszybciej poruszające się gwiazdy w naszej galaktyce – przemieszczające się z prędkością pozwalającą im na ucieczkę z Drogi Mlecznej – w rzeczywistości pochodzą z dużo mniejszej galaktyki krążącej wokół Drogi Mlecznej.

Badacze z Uniwersytetu w Cambridge wykorzystali dane z przeglądu Sloan Digital Sky Survey oraz symulacje komputerowe i dowiedli, że ci gwiezdni sprinterzy w rzeczywistości pochodzą z Wielkiego Obłoku Magellana (LMC), galaktyki karłowatej krążącej wokół Drogi Mlecznej.

Te szybko przemieszczające się gwiazdy były w stanie uciec ze swojej pierwotnej galaktyki gdy wskutek eksplozji jednej gwiazdy w układzie podwójnym nadana im została taka prędkość, że były w stanie uciec grawitacji LMC i zostać wchłonięte przez Drogę Mleczną. Wyniki badań opublikowano w periodyku Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, a dzisiaj zostaną one zaprezentowane podczas National Astronomy Meeting w Hull w Wielkiej Brytanii.

Astronomowie początkowo uważali, że gwiazdy HVS (ang. hipervelocity stars), które są dużymi, niebieskimi gwiazdami, zostały wyrzucone  z centrum Drogi Mlecznej wskutek interakcji z supermasywną czarną dziurą. Inne scenariusze obejmujące rozpadające się galaktyki karłowate lub chaotyczne gromady gwiazd także mogą odpowiadać za prędkość tych gwiazd, jednak wszystkie te trzy scenariusze nie tłumaczą dlaczego tego typu gwiazdy znajdujemy tylko w określonej części nieba.

Jak dotąd odkryliśmy dopiero około 20 gwiazd HVS. Większość z nich znajduje się na niebie północnym choć możliwe, że z półkuli południowej też można byłoby dostrzec inne gwiazdy tego typu.

„Wcześniejsze wytłumaczenie pochodzenia gwiazd HVS nie są satysfakcjonujące” mówi Douglas Boubert, doktorant w Instytucie Astronomii w Cambridge oraz główny autor artykułu. „Gwiazdy HVS znajdujemy zazwyczaj w gwiazdozbiorach Lwa i Sekstansu – od dawna zastanawialiśmy się dlaczego tylko tam”.

Alternatywne wytłumaczenie pochodzenia gwiazd HVS mówi, że są one składnikami układów podwójnych. W tego typu układach im bliżej siebie znajdują się dwie gwiazdy tym szybciej okrążają wspólny środek masy. Jeżeli jeden ze składników układu podwójnego eksploduje jako supernowa, pozostająca gwiazda może wylecieć z układu z prędkością, z którą wcześniej krążyła wokół środka masy. Takie gwiazdy powstałe w Drodze Mlecznej nie są jednak na tyle szybkie, aby mogły być gwiazdami HVS, ponieważ niebieskie masywne gwiazdy nie mogą krążyć wokół siebie wystarczająco blisko, bowiem doszłoby do ich łączenia. Jednak szybko poruszająca się galaktyka może być źródłem takich szybkich gwiazd.

LMC jest największą i najszybszą z kilkudziesięciu galaktyk karłowatych krążących wokół Drogi Mlecznej. Wielki Obłok Magellana charakteryzuje się masą zaledwie 10% masy Drogi Mlecznej dlatego też najszybsi gwiezdni uciekinierzy powstali w tej galaktyce karłowatej z łatwością mogą przezwyciężyć jej grawitację. LMC okrąża Drogę Mleczną z prędkością 400 km/s, a więc zbłąkany gwiezdny uciekinier z tej galaktyki wpadający do Drogi Mlecznej ma prędkość nadaną jej przez eksplozję w układzie podwójnym plus prędkość samego LMC. Taki proces jak najbardziej może tłumaczyć prędkość gwiazd HVS.

„Gwiazdy te właśnie wyskoczyły z pociągu – nic dziwnego, że są tak szybkie”, mówi współautor artykułu Rob Izzard. „To może także tłumaczyć ich położenie na niebie. Najszybsze gwiezdne uciekinierki wyrzucane są  wzdłuż orbity LMC właśnie w kierunku gwiazdozbioru Lwa i Sekstansu.”

Badacze wykorzystali dane z przeglądu nieba Sloan Digital Sky Survey oraz symulacje komputerowe do stworzenia modelu tłumaczącego jak gwiazdy HVS mogą uciec z LMC i dotrzeć do wnętrza Drogi Mlecznej. W ramach symulacji przeanalizowano narodziny i śmierć gwiazd w LMC w ciągu ostatnich dwóch miliardów lat i odnotowano wszystkie uciekające gwiazdy. Następnie w ramach drugiej symulacji – w której uwzględniono grawitację LMC i Drogi Mlecznej – śledzono orbity uciekających gwiazd, które wyrwały się z grawitacji LMC. Obie symulacje pozwoliły oszacować w którym wycinku nieba powinniśmy odkrywać gwiazdy HVS pochodzące z LMC.

„Jako pierwsi stworzyliśmy symulację wyrzucania szybkich gwiazd z LMC. Szacujemy, że na całym niebie rozsianych jest nawet 10 000 takich gwiazd,” mówi Boubert. Połowa symulowanych gwiazd, które uciekły z LMC jest na tyle szybka, że może także uciec grawitacji Drogi Mlecznej – to właśnie gwiazdy HVS.  Jeżeli wcześniej obserwowane HVS to tego typu gwiezdni uciekinierzy, to tłumaczy to także ich położenie na niebie.

Masywne niebieskie gwiazdy kończą swoje życie w kolapsie do gwiazdy neutronowej lub czarnej dziury po kilkuset milionach lat. Tak samo jest z gwiezdnymi uciekinierami. Większość z nich w symulacji kończyła swój żywot podczas lotu, już po wylocie z LMC. Pozostałe po nich gwiazdy neutronowe i czarne dziury kontynuują swoją podróż po tej samej ścieżce. Dlatego też wraz z 10 000 gwiezdnych uciekinierów naukowcy szacują obecność w Drodze Mlecznej nawet miliona szybkich czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

„Wkrótce dowiemy się czy mamy rację,” mówi Boubert. „Satelita Gaia dostarczy nam w ciągu roku dane o ruchu miliarda gwiazd w Drodze Mlecznej. Powinniśmy zatem zobaczyć ślad pozostawiony przez gwiazdy HVS między gwiazdozbiorami Lwa i Sekstansu na niebie północnym, a LMC na niebie południowym.”

Źródło: University of Cambridge