Открытие DESI: высокоскоростная звезда прослежена до центральной черной дыры Млечного Пути

Галактический изгой: открытие DESI позволило отследить путь высокоскоростной звезды к центральной черной дыре Млечного Пути

Глубоко в сердце Млечного Пути гравитационный танец между двойной звездной системой и сверхмассивной черной дырой Стрелец А* (Sgr A*) закончился яростным изгнанием. Миллионы лет спустя астрономы идентифицировали выжившего в этом столкновении: звездного беженца по имени DESI-312. Используя последние данные Спектроскопического инструмента темной энергии (DESI), группа исследователей подтвердила, что эта звезда покидает Галактический центр с ошеломляющей скоростью почти 700 километров в секунду. Это открытие, подробно описанное в новом исследовании под руководством Мануэля Кавиереса (Manuel Cavieres) и международной группы астрофизиков, открывает редкое, ничем не заслоненное окно в химический состав самого труднодоступного региона нашей Галактики.

Открытие DESI-312

Идентификация DESI-312 представляет собой важную веху в области «галактической археологии». Гиперскоростные звезды (HVS) встречаются исключительно редко; несмотря на миллиарды звезд в Млечном Пути, было идентифицировано лишь несколько десятков кандидатов, и еще меньше из них были окончательно связаны с Галактическим центром. Открытие стало возможным благодаря первому выпуску данных (DR1) обзора DESI, который предоставляет высококачественную спектроскопию для миллионов небесных объектов. Объединив спектроскопические данные DESI с точной астрометрией миссии Gaia, исследователи смогли построить полную шестимерную траекторию звезды в фазовом пространстве, включая ее трехмерное положение и трехмерную скорость.

Исследование, авторами которого стали Manuel Cavieres, Sergey E. Koposov, Elena Maria Rossi и коллеги из Лейденского университета, Эдинбургского университета и Кембриджского университета, подчеркивает точность, необходимую для такой находки. «Используя спектроскопию DESI и астрометрию Gaia, мы провели шестимерный поиск HVS и выявили убедительного кандидата... чью связанную траекторию можно с уверенностью проследить до Галактического центра», — отмечают исследователи. В отличие от многих других высокоскоростных звезд, которые беспорядочно движутся через гало, путь DESI-312, словно стрела, указывает на непосредственную близость Sgr A* — черной дыры массой в четыре миллиона солнечных масс в ядре нашей Галактики.

Механизм Хиллса: космическая праща

Механизм, стоящий за такими экстремальными скоростями, известен как механизм Хиллса, предложенный астрономом Джеком Хиллсом (Jack Hills) в 1988 году. Процесс происходит, когда двойная звездная система — две звезды, вращающиеся друг вокруг друга, — подходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре. Огромные приливные силы черной дыры могут разорвать пару. Одна звезда захватывается на тесную орбиту вокруг черной дыры, в то время как ее компаньон выбрасывается наружу с невероятной скоростью, часто превышающей скорость убегания из Галактики.

Для DESI-312 исследователи рассчитали скорость выброса 698 (+35/−27) км/с. Эта скорость согласуется с предсказаниями механизма Хиллса, подтверждая, что звезда, скорее всего, получила «пинок» от Sgr A*. Хотя некоторые звезды могут достигать высоких скоростей в результате взрывов сверхновых в двойных системах или динамических столкновений в плотных звездных скоплениях, такие звезды-беглецы редко достигают скоростей, наблюдаемых у DESI-312. Данные свидетельствуют о том, что только столкновение со сверхмассивной черной дырой могло обеспечить кинетическую энергию, необходимую для того, чтобы вытолкнуть звезду солнечной массы во внутреннее гало с таким темпом.

Химические секреты галактического ядра

Одним из самых поразительных аспектов DESI-312 является ее химическая подпись. Спектроскопический анализ показал, что звезда обладает «сверхсолнечной металличностью» с отношением железа к водороду ([Fe/H]) 0,27 ± 0,09. Это означает, что звезда значительно богаче тяжелыми элементами, чем наше Солнце. Такой химический состав является критическим доказательством ее происхождения. Большинство звезд, обнаруженных в галактическом гало — внешних окраинах, где сейчас находится DESI-312, — являются древними и «беднометаллическими», так как они сформировались на ранних этапах истории Вселенной.

Звезда с высокой металличностью, такая как DESI-312, является аномалией в гало, но вполне уместна в Галактическом центре. Ядро Млечного Пути — это регион интенсивного звездообразования и химического обогащения. Неся в себе этот химический отпечаток, DESI-312 выступает в роли «звездного посланника». Поскольку Галактический центр сильно скрыт густыми облаками газа и пыли, астрономам крайне сложно измерить химический состав находящихся там звезд. DESI-312, вырвавшись из этой пылевой завесы, предоставляет редкую возможность изучить состав внутренней Галактики с гораздо более четкой позиции в гало.

Картирование пути отступления

В своем анализе Кавиерес и его команда тщательно исключили альтернативные места рождения звезды. Они рассматривали возможность выброса DESI-312 из галактического диска или из шарового скопления. Однако орбитальная энергия звезды и ее специфический химический профиль не соответствовали этим сценариям. Звезды, выброшенные из диска, обычно имеют меньшие скорости и иные соотношения элементов, в то время как шаровые скопления обычно состоят из гораздо более старых, бедных металлами популяций.

Анализ траектории показывает, что DESI-312 в данный момент находится во «внутреннем гало», что означает, что она все еще гравитационно связана с Млечным Путем, хотя и находится на очень вытянутой орбите. Это делает ее «связанной» гиперскоростной звездой. Хотя она может и не покинуть Галактику полностью, ее путь из субпарсековых областей вокруг Sgr A* до текущего местоположения в тысячах световых лет от него позволяет ученым прозондировать «галактический потенциал» — распределение массы, включая темную материю, по всему Млечному Пути. Путь, по которому идет звезда, диктуется гравитацией всего, мимо чего она проходит, что делает DESI-312 высокоскоростным зондом невидимой архитектуры Галактики.

Новый класс гиперскоростных звезд

Исторически сложилось так, что большинство идентифицированных HVS были массивными, горячими голубыми звездами (типов A и B). Эти звезды недолговечны, что дает «часы» для определения времени их путешествия, но затрудняет детальный анализ атмосферы. DESI-312 отличается от них. Это звезда массой примерно в одну солнечную массу, находящаяся в данный момент на главной последовательности или на ранней стадии ветви субгигантов. Поскольку это солнцеподобная звезда, ее атмосфера более стабильна, а спектральные линии легче интерпретировать, что позволяет провести гораздо более детальный анализ ее химических элементов.

Это открытие подчеркивает растущую мощь обзора DESI. В то время как миссия Gaia произвела революцию в нашем понимании положений и движений звезд, одной только Gaia часто не хватает глубины спектроскопии для определения химического состава звезды или точной лучевой скорости для более тусклых объектов. DESI восполняет этот пробел, наблюдая миллионы звезд и обеспечивая «третье измерение» движения и «четвертое измерение» химической истории. По мере того как коллаборация DESI продолжает публиковать данные, астрономы ожидают найти больше таких «галактических изгоев», каждый из которых расскажет свою историю бурного прошлого ядра нашей Галактики.

Будущее галактической археологии

Открытие DESI-312 — это только начало того, что, как надеются исследователи, станет золотым веком изучения HVS. С появлением мультиобъектных спектроскопических обзоров, таких как DESI, WEAVE и 4MOST, ожидается, что список высокоскоростных звезд вырастет из горстки аномалий до статистически значимой популяции. Каждое новое открытие помогает уточнить скорость, с которой Sgr A* разрушает двойные системы, что, в свою очередь, расширяет наши знания о плотности звезд и черных дыр в Галактическом центре.

Более того, изучение частоты выброса звезд, подобных DESI-312, дает важные данные для прогнозирования других явлений, таких как события приливного разрушения (TDE), когда звезда разрывается черной дырой, и излучение гравитационных волн от «сближений по спирали с экстремальным соотношением масс» (EMRI). Как заключают Сергей Копосов и его команда, эти звездные беглецы — больше, чем просто курьезы; они являются важными инструментами для понимания самых экстремальных сред в нашей Вселенной. А пока DESI-312 продолжает свой одинокий путь через гало, оставаясь молчаливым свидетелем гравитационного столкновения, произошедшего миллионы лет назад в самом сердце Млечного Пути.