Гиперскоростные звезды – крайне необычные объекты. Когда-то провзаимодействовав с чем-то, они приобрели скорость, значительно превышающую типичные для Млечного Пути два сотни километров в секунду и покинули галактику.

Сегодня таких звезд известно два десятка. Считается, что причиной, «вышвырнувшей» их из привычного окружения, стала гравитация сверхмассивной черной дыра, находящейся в центре нашей галактики. Но, как выясняется, это не всегда так.

Предметом интереса астрономов стала звезда LAMOST-HVS1 – голубой гигант, найденный в созвездии Рака несколько лет назад. Масса звезды превышает солнечную в восемь раз, а скорость движения составляет 568 км/с.

Проанализировав движение звезды при помощи орбитального телескопа Gaia, команда астрономов из университетов Мичигана и Чикаго обнаружила, что событие, приведшее к ускорению звезды, произошло 33 миллиона лет назад. Но самым неожиданным стало исходное положение «беглянки» – один из малых спиральных рукавов Млечного Пути, довольно далеко от его центра. Это означает, что причины, вызвавшие ускорение в данном случае не связаны с центральной черной дырой.

Ученые полагают, что такими причинами могло быть взаимодействие LAMOST-HVS1 с черной дырой промежуточной массы (100 масс Солнца), очень массивной звездой (100 масс Солнца) или несколькими обычными массивными звездами. Скорость движения звезды по-видимому исключает из перечня возможных причин взрыв сверхновой, входившей в двойную звездную систему с LAMOST-HVS1. Для такого сценария скорость явно велика.

«Это открытие радикально меняет наши представления о том, как возникают подобные звезды. То, что ее траектория движения начинается внутри диска Млечного Пути, а не в его ядре, говорит о том, что условия, необходимые для разгона и «катапультирования» подобных светил, присутствуют не только в окрестностях сверхмассивных черных дыр», – рассказывает Моника Валлури (Monica Valluri) из университета штата Мичиган в Энн-Арборе (США).

Наиболее интересная из возможных причин – черная дыра промежуточной массы. Астрономы ищут такие объекты не первый год, но пока не преуспели в этих поисках. Возможно убегающая звезда окажется ключом к решению этой загадки.

Не только нейтронные звезды могут перемещаться с такими огромными скоростями: есть целый класс так называемых «убегающих звезд» – объектов, путешествующих сквозь Млечный путь со скоростями, намного превышающими скорости соседних звезд.

Существует два основных механизма возникновения убегающих звезд:
а) Уже упомянутый взрыв сверхновой.
б) Гравитационное взаимодействие между двумя сблизившимися системами двойных звезд, которое в некоторых случаях может буквально катапультировать одну из них в межзвездное пространство.

Благодаря огромным скоростям, при движении в межзвездном пространстве убегающие звезды оставляют за собой характерный след – ударные волны, которые формируются там, где магнитные поля и ветер из частиц, сдуваемые со звезды, сталкиваются с рассеянными и обычно невидимыми газом и пылью, которые заполняют пространство между звездами. Свечение, которое сопровождает такие столкновения, может многое рассказать астрономам об условиях среды, окружающей звезду, и в космическом пространстве.

Каппа Кассиопеи – одна из таких убегающих звезд. Это бело-голубой сверхгигант в созвездии Кассиопеи с радиусом в 40 раз превышающий солнечный и светимостью в 420000 сильнее Солнца. Звезда движется со скоростью 1100 километров в секунду – мощнейший звёздный ветер уносит ее вещество с темпом 1/2000000 солнечной массы в год, т.е. в 10 миллионов раз больше, чем солнечный ветер.

Чтобы оценить мощь Каппы Кассиопеи, просто представьте, что обитаемая зона в ее системе начинается на расстоянии 650 астрономических единиц от – т.е. примерно 100 миллиардов километров. Напомним, что расстояние от Солнца до Нептуна составляет всего 4.5 миллиарда километров. Впрочем, даже если Каппа Кассиопеи и имеет вращающиеся на таком расстоянии планеты, жизнь вряд ли могла и когда-нибудь сможет зародиться на одной из них. Ведь несмотря на то, что звезде всего 5 миллионов лет, водород в её ядре уже выгорел, и теперь из гелия синтезируется углерод.

А поскольку масса Каппы Кассиопеи в 40 раз превышает солнечную, то это означает, что очень скоро по астрономическим мерками, нас ждет грандиозный фейерверк. Звезда взорвётся как сверхновая, а её массивное ядро, скорее всего, сколапсирует в чёрную дыру. Похоже, что слоган «живи ярко и умри молодым» как будто создан для таких звезд.

Убегающая звезда, звезда-беглянка (англ. runaway star) – звезда, которая движется с аномально высокой скоростью по отношению к окружающей межзвёздной среде. Собственное движение подобной звезды часто указывается именно относительно звёздной ассоциации, членом которой она когда-то должна была быть, прежде чем была выброшена из неё. Наше Солнце является лишь одной из 400 миллиардов звёзд в нашей галактике – Млечный Путь. Галактика вращается медленно, совершая один оборот за 250 миллионов лет. Большинство звёзд в Млечном Пути идут в ногу с его медленным вращением: скорость Солнца, например, относительно других звёзд составляет 19,4 км/с.

Но в Галактике существуют и «убегающие звёзды»: их скорость относительно других звёзд составляет до 200 км/с. Около 10-30% звёзд спектрального класса О и 5-10% всех звёзд спектрального класса В обладают скоростями подобного порядка. Все они – относительно молодые жители Галактики – возрастами до 50 миллионов лет, и за это время они проходят в пространстве относительно небольшие расстояния – от сотен парсек до нескольких килопарсек, поэтому иногда представляется возможным определить скопление, в котором они родились.

Самая большая скорость в нашей галактике известна у звёзд S5-HVS1[en] (1700 км/с) и US 708 (1200 км/с).

Некоторые убегающие звёзды производят головную ударную волну сжатого вещества, которая очень похожа на головную волну вокруг лодки, плывущей по воде. Эта волна имеет ту же физическую природу, что и ударная волна, создаваемая реактивным истребителем в воздухе. Когда звезда-беглец движется с большой скоростью через межзвёздную среду (очень тонкую смесь газа и пыли) со сверхзвуковой скоростью, то межзвёздное вещество становится заметно в виде головной ударной волны.

Термин «Сверхзвуковая скорость» означает, что скорость движущегося объекта выше, чем скорость звука в окружающей среде. В то время как в нижнем слое атмосферы Земли эта скорость составляет около 330 м/с, то в почти пустом межзвёздном пространстве её значение примерно 10 км/с. Таким образом, обнаружение головной ударной волны вокруг OB-звезды означает, что она движется со сверхзвуковой скоростью, и тем самым её можно надёжно идентифицировать как убегающую звезду, даже если её скорость не была измерена непосредственно.

Близкие убегающие звёзды и их основные характеристики

На расстоянии 750 пк от Солнца известно 56 убегающих звёзд. Эти звёзды почти не отличаются от остальных звёзд дисковой составляющей Галактики по всем своим параметрам, кроме высокой пространственной скорости. Четыре звезды из этой группы обладают массой выше 25 солнечной (следует отметить, что для этих звёзд масса определяется по виду спектра с не очень высокой точностью).

Сейчас предполагается, что такие звёзды образуются либо при динамической эволюции скоплений и ассоциаций в которых они родились (наиболее вероятная причина – тесное тройное сближение), либо в результате распада двойной системы при взрыве сверхновой, когда бегущая звезда получает начальный импульс при взрыве звезды-компаньона. В то время как теоретически возможны оба механизма, астрономы на практике обычно склоняются к гипотезе взрыва сверхновой.

Р. Хугерверт (R. Hoogerwerf) и его коллеги, из Лейденской обсерватории в Нидерландах, использовали данные, полученные спутником Hipparcos, чтобы проследить во времени движение 56 убегающих звёзд и нашли доказательства в поддержку обеих теорий. Авторы проследили движение этих звёзд в Галактике и для большинства из них (в том числе для всех 4 массивных) нашли когда и из какой ассоциации эти звёзды вылетели, а также какой из двух возможных механизмов выброса действовал для каждой конкретной звезды (большинство звёзд было выброшено при распаде двойных). Скорее всего все четыре массивные убегающие звезды приобрели свою высокую пространственную скорость в результате взрывов сверхновых в двойных системах. Авторы приводят несколько аргументов в пользу такого вывода:
• Эти звёзды очень массивные. Для того, чтобы быть выкинутыми из скопления (ассоциации) им надо было пролететь вблизи не намного менее массивных звёзд. Иначе, по закону сохранения импульса, выброшенными из системы оказались бы именно менее массивные звёзды. А столь массивных звёзд очень мало – это прямое следствие закона Солпитера. Близкий пролёт нескольких массивных звёзд оказывается чрезвычайно редким событием, по сравнению с достаточно редкими тесными тройными сближениями звёзд малых масс.
• Массивные звёзды живут всего несколько миллионов лет. Этот факт накладывает на описанное редкое событие дополнительное ограничение – сближение должно успеть произойти пока массивные звёзды не взорвались как сверхновые.
• Эти звёзды летят со скоростями в несколько раз выше дисперсии скоростей тех ассоциаций, в которых они родились. Сам по себе этот факт ничему не противоречит, после удачного тесного сближения звёзды могут приобретать достаточно высокие скорости. Однако это происходит только в редких случаях, средняя величина приобретаемой в таких процессах скорости существенно ниже. Таким образом с очень большой вероятностью каждая из этих четырёх звёзд входила в состав достаточно тесной массивной двойной системы и приобрела свою пространственную скорость после её распада из-за взрыва сверхновой.

Определение процентного соотношения первого и второго механизма в формировании убегающих звёзд накладывает сильные ограничения на теории формирования скоплений и эволюции звёзд. Численное моделирование, проделанное в 2000 году, показало, что число убегающих звёзд может помочь определить, например, число рождавшихся двойных пар в скоплениях. Радиальные скорости измерены всего для одной трети звёзд О-В каталога Hipparcos. По имеющимся данным можно сказать, что оба механизма примерно равнозначны. С ростом количества убегающих звезд, для которых будет определены скорость и положение в пространстве, можно будет найти их родительские скопления, а также возраст и их начальные скорости.

Убегающая звезда α Жирафа

Звезда находится в созвездии Жирафа и удалена от Земли на четыре тысячи световых лет. Её масса превышает массу Солнца в 25-30 раз, она в пять раз горячее Солнца (её температура равна 30 тысяч градусов) и в пятьсот тысяч раз ярче Солнца. Убегающая звезда α Жирафа создаёт головную ударную волну, которая распространяется со скоростью 60 км/с и сжимает межзвёздную среду на своем пути. Головная волна отстоит от самой звезды примерно на десять световых лет. Звезда испускает также мощный звёздный ветер. Астрономы долго полагали, что α Жирафа была выброшена из ближайшего скопления молодых горячих звёзд вследствие гравитационного взаимодействия с другими членами скопления. Согласно другой гипотезе, звезда могла приобрести скорость (вылетев из двойной системы) в результате взрыва массивной звезды-компаньона как сверхновой.

Убегающая звезда ζ Змееносца

При движении ζ Змееносца образует перед собой дугообразную волну из межзвёздного вещества, которая отлично видна на этом красочном инфракрасном снимке, сделанном космическим аппаратом WISE. На фотографии в искусственных цветах ζ Змееносца выглядит голубоватой. Она расположена вблизи центра картинки и движется вверх со скоростью 24 км/с. Масса звезды в 20 раз превышает солнечную. Сильный звёздный ветер летит впереди звезды, сжимая и нагревая межзвёздное вещество и формируя головную ударную волну. Вокруг лежат облака относительно невозмущённого вещества. Вероятно, ζ Змееносца когда-то была членом двойной звёздной системы, её компаньон был гораздо более массивным и раньше закончил свой жизненный путь. Когда звезда-компаньон взорвалась как сверхновая, катастрофически теряя при этом массу, ζ Змееносца была выметена прочь из системы. ζ Змееносца находится на расстоянии 460 световых лет от нас. Её светимость в 65000 раз ярче Солнца. Она была бы одной из самых ярких звёзд на небе, если бы не была окружена плотной поглощающей свет средой. 

Убегающая звезда АЕ Возничего

АЕ Возничего – яркая звезда чуть ниже и левее центра этого красочного портрета туманности IC 405, также известной под названием Туманность пламенеющей звезды. Окружённая космическим облаком горячая переменная звезда спектрального типа О своим энергичным излучением заставляет светиться водород, расположенный вдоль газовых волокон. Голубой свет звезды отражается от межзвёздной пыли. Звезда АЕ Возничего родилась совсем не в том облаке, которое она подсвечивает. Восстанавливая движение звезды в пространстве, астрономы заключили, что она, вероятнее всего, родилась в туманности Ориона около 2,7 миллионов лет назад. Гравитационные взаимодействия с ближайшими звёздами более двух миллионов лет назад выбили её из родных мест вместе с ещё одной О-звездой – μ Голубя. Сбежавшие звёзды дрейфовали в разных направлениях, отдаляясь друг от друга на 200 км/с. В настоящее время угловое расстояние между ними составляет 70º.

Убегающие звёзды в ассоциации OB1 Ориона

В ассоциации OB1 Ориона известны три бегущие звёзды – кроме АЕ Возничего и μ Голубя, также 53 Овна. Первые две практически одинаковые по цвету, массе и возрасту, и движутся со скоростью до 100 км/с каждая, покинув ассоциацию OB1 Ориона 2,5 миллионов лет назад. Астрономы Блаау и Морган в 1954 году предположили, что обе звезды приобрели столь большую скорость вследствие какого-то одного события. Джиес и Болтон в 1986 году пришли к выводу, что АЕ Возничего, μ Голубя, а также пара массивных звёзд с большими эксцентриситетами орбит под названием ι Ориона (О и В гиганты) – результат взаимодействия два-на-два, которая и вызвала появление бегущих звезд. Ни АЕ Возничего, ни μ Голубя не показывают признаков обмена массой в прошлом (об этом судят по количеству гелия), а значит, скорее всего, причиной того, что эти две звезды выброшены из скопления, является именно динамический сценарий. Исследователи, проведя экстраполяцию в прошлое, обнаружили, что звёзды были выброшены из Трапеции Ориона около 2,7 миллионов лет назад.

В 1952 году Блаау обнаружил, что Дзета Змееносца принадлежала когда-то ассоциации ОВ2 Скорпиона. Она могла вылететь или из группы Верхнего Скорпиона 1 миллион лет назад или из группы Верхнего Центавра-Волка 3 миллиона лет назад. Свойства ζ Змееносца (такие как количество гелия и скорость вращения), указывают на то, что она была когда-то частью тесной двойной системы. Астрономы проверили радиопульсары в радиусе 1 кпк – останки сверхновых, для которых можно надежно измерить их относительные движения. В результате был обнаружен пульсар PSR J193211059, возрастом до 3 миллионов лет, который покинул группу Верхний Скорпион 1 миллион лет назад с радиальной скоростью около 200 км/с. Всё это дало сильное подтверждение тому, что когда-то они были парой, и взорвавшаяся звезда выбросила ζ Змееносца в одну сторону, а сама полетела в другую.

Около половины из известных OB-звёзд являются членами двойных систем. Современные эволюционные сценарии для таких систем были разработаны Эдвардом ван ден Хойвелом (Ed van den Heuvel). Он понял, что в ходе эволюции тесной двойной системы, существует фаза интенсивного массообмена, в результате чего вещество перетекает с тяжёлой звезды на её более лёгкий спутник. Это имеет важные последствия для дальнейшего развития системы. Массоперенос происходит несколько миллионов лет или даже меньше, если тяжёлая, а следовательно, и наиболее быстро развивающаяся звезда увеличивается в размерах и становится сверхгигантом, во много раз большим, чем наше Солнце. Скорость переноса вещества может стать настолько большой, что это изначально тяжёлая звезда, в конце концов, становится легче, чем её компаньон. Этап массопереноса не изменит конечную судьбу сверхгиганта, и он всё равно первым из двух взорвётся как сверхновая. Важным результатом процесса массопереноса, однако, будет то, что центральный остаток после взрыва сверхновой, то есть нейтронная звезда или чёрная дыра будет оставаться гравитационно-связанным и останется на орбите вокруг OB-звезды, даже после того, как она получит высокую скорость убегания.

Таким образом, из того, что известно об эволюции тяжёлых звёзд в двойных системах, OB-звезда, которая была выброшена из OB-ассоциации взрывомсверхновой должна сопровождаться компактным звёздным остатком. Однако в прошлом многие астрономы внимательно исследовали убегающие OB-звёзды на наличие нейтронной звезды или чёрной дыры, но ничего подобного не было найдено. Это отрицательный результат наблюдений, очевидно, не подтверждает сценарий взрыва сверхновой. Но на основании новых наблюдений, группа астрономов, во главе с Лексом Капером (Lex Kaper) из ESO, обнаружила, что известная двойная система Vela X-1, состоящая из OB-звезды и нейтронной звезды, обладает всеми характеристиками убегающей звезды. Vela X-1 является самым ярким источником рентгеновского излучения в созвездии Парусов. Она состоит из так называемого рентгеновского пульсара, который, безусловно, является нейтронной звездой, образовавшейся в результате взрыва сверхновой и компаньйона – OB-звезды.

Изображение, полученное в ESO в окрестностях сравнительно яркой OB-звезды HD 77581 и её супутника Vela X-1 (оптически невидимого) сделано на 1,54-м телескопе в обсерватории Ла-Силья, через узкополосный H-альфа фильтр ясно показывает наличие типичной ударной головной волны, таким образом, сразу же подтверждая статус этой системы как «убегающей». И самом деле, это одна из самых «совершенных» ударных волн параболической формы, которая ещё никогда так чётко не наблюдалась вокруг убегающей OB-звезды. Кроме того, ориентация ударной головной волны указывает, что система движется к северу, а место её происхождения, соответственно, должно лежать к югу от своего нынешнего положения. Именно там находится известнаяОВ-ассоциация Vel OB1.

На основе измерения расстояния до Vel OB1, (около 6000 световых лет) и наблюдаемого собственного движения и радиальной скорости HD 77581 можно вычислить, что система Vela X-1 движется со скоростью 90 км/с. С этой скоростью, HD 77581 и его компактному спутнику потребовалось бы около 2,5 миллионов лет, чтобы вылететь из ассоциации Vel OB1 и занять своё нынешнее положение. Это в точности соответствует ожидаемому времени, которое прошло с момента взрыва сверхновой звезды-прародительницы.

Астрономы обнаружили редкую убегающую звезду, которая движется со скоростью 500000 километров в час (с такой скоростью от Земли до Луны можно долететь всего за 48 минут). Бегущая звезда – это желтый сверхгигант J01020100-7122208, находящийся в Малом Магеллановом облаке, близком соседе Млечного Пути.

По мнению ученых, звезда раньше была частью двойной системы, однако была выброшена из нее взрывом ее звезды-спутника, превратившейся в сверхновую. В результате образования колоссального объема энергии сосед «отправился в путешествие» совсем не по своей воле.

После десяти миллионов лет скитаний по космосу звезда превратилась в желтого сверхгиганта, который мы наблюдаем сегодня. Однако жить ей осталось не так уж и много по астрономическим меркам – фаза желтого сверхгиганта длится от 10000 до 100000 лет. После этого объект превратится в красного сверхгиганта, став в один ряд с такими звездами, как Бетельгейзе, с размером, превышающим орбиту Марса или Юпитера. Эти звезды в конечном итоге погибают, превращаясь в сверхновые.

В Млечном Пути есть звезды, которые двигаются с четвертой космической скоростью. Это позволяет им преодолеть притяжение Галактики и покинуть ее пределы. Происхождение и поведение таких гиперскоростных светил вызывает много вопросов, и ответы на них помогли бы понять природу сверхмассивной черной дыры в центре Галактики и распределение темной материи в ней.