天文学家发现古老的恒星运动得如此快，正从我们的银河系中逃脱

根据盖亚卫星收集的数据重建的20颗超高速恒星的位置和轨迹，叠加在银河系的艺术视角之上。图片来源：uux.cn欧洲航天局（艺术家印象与构图）;Marchetti 等 2018（星位与轨迹）;NASA/ESA/哈勃（背景星系），CC BY-SA 3.0 IGO。

（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻：有些星星天生就是流浪者。另一些人则被极端的力量推动，将他们从曾经熟悉的一切中夺走。近一个世纪以来，天文学家一直在观察这些宇宙中的逃亡者，被称为超高速恒星，因为它们运动得如此快，星系的引力已无法再承受它们。它们不仅仅是在太空中飞驰的奇观。他们是信使，携带着关于银河系无形建筑的线索。

现在，中国天文学家找到了一种新的方法来追踪这些失控恒星。通过聚焦于一类特殊的恒星，其有节奏的脉动如同宇宙心跳，他们进行了大规模搜索，揭示了以惊人速度运动的新恒星群体。他们的研究发表在《天体物理学杂志》上，将古老且持续跳动的恒星转化为探究银河系最深奥秘的工具。

要理解超高速恒星为何重要，想象逃脱意味着什么会有所帮助。每个有质量的物体都会施加重力，要摆脱这种吸引力，物体必须达到一定速度。在地球上，这个速度是每秒11.2公里。一块被小行星撞击从表面炸飞的岩石，如果达到那个速度，可以无限漂流到太空中。一个戏剧性的例子可能发生在1957年，当时内华达州一次地下核爆炸的爆炸孔被用钢制盖子据称以地球逃逸速度的六倍被发射，除非它在离开大气层前蒸发。

随着重力加深，这一数字变得更加惊人。要完全避开太阳，航天器需要达到每秒618公里的速度，但从地球轨道位置看，所需速度要低得多，约为每秒42公里。在银河系的规模上，逃脱成为一项非凡的挑战。从太阳在银河系中的位置看，逃逸速度约为每秒550公里。

超高速恒星不仅满足这一要求。他们超越了它。这些恒星的切向速度达到每秒1000公里或更高，在引力上不受银河系束缚。它们并没有绕银河系运行。他们要离开了。

能够将恒星发射到如此高速的最强大引擎之一，就坐落在我们银河系的中心。人马座A*，这个锚定银河系的超大质量黑洞，其引力强大到足以撕裂恒星的伙伴关系。

这一想法由天文学家杰克·希尔斯于1988年正式提出，他提出了现在被称为希尔斯机制的机制。在这种情况下，一对作为双星系统结合在一起的恒星偏离了超大质量黑洞。这次遭遇是灾难性的。一颗恒星被黑洞捕获，锁定在紧密轨道上，另一颗则被猛烈抛出，以惊人的速度抛出。

这不仅仅是理论。2019年，天文学家观测到一颗恒星以每秒1755公里的速度远离银河系核心，速度为光速的0.6%。这种速度超过了银河中心的逃逸速度，标志着这颗恒星是真正的宇宙流亡者。这些观测直接证明了银河系中心超大质量黑洞的存在及其影响，并为其性质提供了罕见的见解。

超高速恒星不仅仅是强调引力的力量。通过逆向追踪它们在太空中的路径，天文学家可以重建银河系的引力地貌。这些恒星就像被抛射过无形场的测试粒子，揭示了质量在银河系中的分布。

这包括难以捉摸的暗物质晕，即银河系盘面周围的广阔球形区域。暗物质不发光，无法直接观察，但其引力影响着恒星的运动。当超高速恒星穿越晕时，它们的轨迹会编码关于这个隐藏质量的信息。

了解这些恒星的来源及其运动方式，有助于科学家完善星系引力势的模型。每一颗失控的恒星都是一张力图中的数据点，否则无法绘制。

基于这些动机，北京科学机构的三位天文学家团队，由北京大学的傅昊柱带领，将注意力转向一种不同的恒星信使。他们没有在年轻、质量巨大的恒星中寻找，而是专注于天琴座RR型变星，通常简称为RRL。

这些恒星是古老的巨星，是银河系早期历史的遗迹。它们脉动得异常规律，亮度在0.2到一天之间时高时低。它们栖息在银河系的厚盘和晕中，常常出现在球状星团中。银河系包含150多个此类星团，其中约三分之一围绕银河中心形成近乎球形的晕状排列。

天琴座RR型星特别珍贵的原因是它们固有的光度被充分理解。它们的脉动周期、绝对星等与金属量之间存在已知关系，天文学家定义为比氢和氦更重的元素的丰度，称为“金属”。通过比较这些恒星的真实亮度与从地球上看的亮度，天文学家可以用反平方距离关系计算它们的距离。

这使得天琴座RR型变星成为可靠的宇宙里程标记，非常适合银河系大规模搜索。

团队最初拥有大量天琴座RR型变星的目录。一份已出版的星表包含了斯隆数字巡天的8,172颗此类恒星。扩展的星表极大地扩展了这一领域，列出了135,873颗RR天鹅座恒星，其金属含量和距离均基于盖亚光度测量得出。这些测量数据来自欧洲航天局于2013年发射的盖亚卫星，该卫星以极高的精度观测恒星亮度。

但寻找超高速恒星不仅仅是距离的问题。速度是决定性因素，测量速度需要精确的光谱数据，以揭示恒星远离或靠近我们的速度。目录中的大多数恒星没有测量到足够的径向速度，且不确定性不足以达到此目的。

剔除不符合这些严格标准的恒星后，研究人员得到的样本数量更小，但样本量远大于165颗可能以超高速运动的RR天鹅座恒星。

工作并未止步于此。每个候选恒星的光变曲线被详细研究，并选出最可靠的多普勒位移。这种细致的筛选进一步缩减样本，得出87颗天琴座RR型变星，被认为是最可靠的超高速候选星。其中7颗切向速度超过800公里每秒，接近或超过了从银河系逃逸的阈值。

当研究人员观察这些恒星的位置时，出现了一个模式。这些恒星分为两大类。一类集中在银河系中心，另一类则集中在大麦哲伦云和小麦哲伦星系周围，这两支不规则矮星系位于银河系附近。

它们的位置和运动暗示着戏剧性的起源。这些恒星似乎通过希尔斯机制或类似的引力相互作用达到了超高速状态。许多星球速度足以超过银河系的逃逸速度，这意味着它们很可能被从原始宿主系统中弹射出来，现在正沿着通往银河系外的路径上。

这些恒星的运动中都承载着一段历史。通过重建它们的轨迹，天文学家可以推断恒星的来源以及塑造它们旅程的力。银河中心附近的聚集表明与人马座A*的相互作用，而与麦哲伦云的关联则暗示涉及多个星系的复杂引力动力学。

团队相信未来的观测将进一步清晰这一图景。盖亚卫星持续提供的数据，结合详细的光谱分析，应有助于澄清这些失控恒星的起源及其发射机制。

随着更多超高速恒星被识别和追踪，银河系的晕将变得更加清晰。这些星际流亡者的路径将限制可见和暗质量的分布。

这项研究之所以重要，是因为它将银河系中一些最古老的恒星变成了探测其最深奥秘的探测器。通过利用天琴座RR型变星作为超高速运动的示踪器，天文学家获得了进入银河系引力结构及其暗物质晕的新窗口。

暗物质仍然是现代物理学中最深的谜团之一。它塑造星系，控制其运动，但却只通过引力显现。超高速恒星被极端事件抛向银河系，是少数能够绘制这个无形领域的工具之一。

除了技术层面的洞见，这里还有一个深刻的叙事。这些恒星是暴力遭遇的幸存者，见证了黑洞和银河力量的巨大力量。通过聆听它们稳定的脉冲和追踪它们疯狂逃离的过程，天文学家不仅了解银河系的建造过程，还了解它如何演化、相互作用，有时甚至剧烈重塑恒星的生活。

科学家们追踪那些永远离开家园的恒星路径，揭示了他们所留下的银河系隐藏的故事。

傅浩竹等人，《利用天琴座RR型变星寻找遥远超高速星候选体》，《天体物理学杂志》（2025年）。DOI: 10.3847/1538-4357/ae0c09