DESI 探测发现一颗高速恒星，其源头可追溯至银河系中心黑洞

银河系逐客：DESI发现将一颗高速恒星溯源至银河系中心黑洞

在银河系的深处，一个联星系统与超大质量黑洞人马座 A* (Sgr A*) 之间的引力之舞以一次剧烈的驱逐告终。数百万年后，天文学家识别出了这次遭遇的幸存者：一颗名为 DESI-312 的恒星流亡者。利用暗能量光谱仪 (DESI) 的最新数据，一个研究团队确认这颗恒星正以接近每秒 700 公里的惊人速度逃离银河系中心。这项由 Manuel Cavieres 领导的国际天体物理学家团队开展的研究，为观察银河系最难触及区域的化学组成提供了一个罕见且无遮挡的窗口。

DESI-312 的发现

DESI-312 的发现代表了“银河系考古学”领域的一个重要里程碑。超高速星 (HVSs) 极其罕见；尽管银河系中有数千亿颗恒星，但目前仅识别出几十颗候选星，而能够明确溯源至银河系中心的则更少。这一发现得益于 DESI 巡天的第一批数据发布 (DR1)，该巡天为数百万个天体提供了高质量的光谱。通过将 DESI 的光谱数据与 Gaia 任务的精密天体测量数据相结合，研究人员能够绘制出这颗恒星完整的六维相空间轨迹，包括其三维位置和三维速度。

这项由 Manuel Cavieres、Sergey E. Koposov、Elena Maria Rossi 以及来自 Leiden University、University of Edinburgh 和 University of Cambridge 的同事共同撰写的研究，强调了此类发现所需的精度。研究人员指出：“利用来自 DESI 的光谱和来自 Gaia 的天体测量，我们对超高速星进行了六维搜索，并发现了一个极具说服力的候选目标……其受束缚的轨迹可以确凿地追溯到银河系中心。”与许多在银晕中随机移动的其他高速恒星不同，DESI-312 的路径像箭一样直指 Sgr A* 的紧邻区域，即位于银河系核心、拥有四百万倍太阳质量的黑洞。

希尔斯机制：宇宙弹弓

这种极端速度背后的机制被称为希尔斯机制 (Hills mechanism)，由天文学家 Jack Hills 于 1988 年提出。当一个联星系统（两颗相互绕转的恒星）游荡到离超大质量黑洞太近的地方时，该过程就会发生。黑洞巨大的潮汐力会将联星系统撕裂。其中一颗恒星被捕获进入绕黑洞运行的紧凑轨道，而其伴星则以难以置信的速度被甩向外围，其速度往往超过银河系的逃逸速度。

对于 DESI-312，研究人员计算出其弹射速度为 698 (+35/−27) 公里/秒。这一速度与希尔斯机制的预测相符，证实了这颗恒星很可能是被 Sgr A* “踢”出来的。虽然有些恒星可以通过联星系统中的超新星爆发或致密星团中的动力学遭遇达到高速度，但这些“跑星” (runaway stars) 很少能达到在 DESI-312 身上观察到的速度。数据表明，只有与超大质量黑洞的相遇才能提供足够的动能，将一颗太阳质量的恒星以如此快的速度推入内银晕。

银河系核心的化学秘密

DESI-312 最引人注目的方面之一是它的化学特征。光谱分析显示，该恒星具有“超太阳金属丰度”，其铁氢比 ([Fe/H]) 为 0.27 ± 0.09。这意味着这颗恒星的重元素含量显著高于我们的太阳。这种化学组成是关于其起源的关键证据。在银晕（DESI-312 目前所在的边缘地带）中发现的大多数恒星都是古老且“贫金属”的，它们形成于宇宙历史的早期。

像 DESI-312 这样具有高金属丰度的恒星在银晕中是一个异类，但在银河系中心却非常普遍。银河系核心是一个恒星形成剧烈且化学富集的区域。通过携带这一化学指纹，DESI-312 扮演了“恒星信使”的角色。由于银河系中心被厚厚的气体和尘埃云严重遮蔽，天文学家测定那里恒星的化学丰度极其困难。DESI-312 已经脱离了那层尘埃笼罩，为从银晕这一清晰得多的视角研究内银河系的组成提供了一个罕见的机会。

绘制逃逸路线

在分析中，Cavieres 及其团队严谨地排除了这颗恒星的其他可能诞生地的可能性。他们考虑了 DESI-312 是否可能是从银河系盘或球状星团中弹射出来的。然而，这颗恒星的轨道能量及其特定的化学轮廓与这些方案并不匹配。从星系盘弹射出的恒星通常速度较低且元素比例不同，而球状星团通常由更古老、贫金属的星族组成。

轨迹分析显示，DESI-312 目前处于“内银晕”，这意味着它仍然在引力上受银河系束缚，尽管处于一个非常拉长的轨道上。这使其成为一颗“受束缚”的超高速星。虽然它可能不会完全离开银河系，但它从 Sgr A* 周围的亚秒差距区域到目前数千光年外位置的旅程，让科学家能够探测“银河系引力势”——即包括暗物质在内的整个银河系的质量分布。恒星所采取的路径由它所经过的一切物体的引力决定，这使得 DESI-312 成为探测银河系隐形架构的高速探针。

一类新型超高速星

从历史上看，大多数被识别出的超高速星都是质量大、温度高的蓝色恒星（A型和B型星）。这些恒星寿命较短，虽然为其旅行时间提供了“时钟”，但却使详细的大气分析变得困难。DESI-312 则不同。它是一颗大约一倍太阳质量的恒星，目前处于主序阶段或亚巨星支早期。作为一颗类太阳恒星，它的大气更加稳定，光谱线更容易解读，从而可以对其化学元素进行更详细的拆解。

这一发现凸显了 DESI 巡天日益增强的实力。虽然 Gaia 任务彻底改变了我们对恒星位置和运动的理解，但 Gaia 本身往往缺乏光谱深度来确定恒星的化学成分，或无法测定较暗天体的精确视向速度。DESI 填补了这一空白，它观测了数百万颗恒星，提供了运动的“第三维度”和化学历史的“第四维度”。随着 DESI Collaboration 继续发布数据，天文学家预计会发现更多这类“银河系逐客”，每一颗都讲述着银河系核心暴力历史的不同故事。

银河系考古学的未来

DESI-312 的发现只是研究人员希望的超高速星研究黄金时代的开始。随着 DESI、WEAVE 和 4MOST 等多目标光谱巡天的出现，超高速星的普查预计将从少数个例增长为具有统计学意义的群体。每一次新发现都有助于限定 Sgr A* 瓦解联星系统的频率，这反过来又加深了我们对银河系中心恒星和黑洞密度的理解。

此外，研究像 DESI-312 这样恒星的弹射率，为预测其他现象提供了关键数据，例如潮汐瓦解事件 (TDEs)——即恒星被黑洞撕碎——以及来自“极端质量比螺旋并合” (EMRIs) 的引力波发射。正如 Sergey E. Koposov 及其团队总结的那样，这些恒星逃犯不仅仅是奇观；它们是理解宇宙中最极端环境的重要工具。目前，DESI-312 继续在银晕中独自跋涉，作为数百万年前发生在银河系最核心处那次引力遭遇的无声见证者。