Konstnärillustration av en galaktisk exil. Bildkredit: CfA. Klicka för att förstora.
Lyssna på intervjun: Galactic Exiles (6,2 MB)
Eller prenumerera på Podcast: universetoday.com/audio.xml
Vad är en podcast?
Fraser Cain: Kan du berätta för mig om de stjärnor du observerade och hur de har blivit kastade ut ur vår galax?
Dr. Warren Brown: Det vi upptäckte är två stjärnor i de yttersta randområdena i Vintergatan som reser med hastigheter som ingen någonsin har sett stjärnor i vår galax, åtminstone stjärnor utanför det galaktiska centrumet. Förutom att dessa stjärnor är hundratusentals ljusår bort från det galaktiska centrum. Och ändå, den enda rimliga förklaringen på deras hastighet är att de kastades ut av det supermassiva svarta hålet i mitten av galaxen.
Fraser: Så de forvillde sig för nära det supermassiva svarta hålet och blev lite utkastade?
Brown: Ja, så här är bilden. Detta scenario kräver tre kroppar, och astronomer säger att det mest troliga sättet att det hände är om du har ett par stjärnor. Som ni kanske är medveten, är något som halva stjärnorna på himlen faktiskt system som innehåller ett par, eller ibland fler stjärnor. Och så om du har ett tätt bundet stjärnpar som av någon anledning reser för nära det supermassiva svarta hålet, kommer någon gång det svarta hålets tyngdkrav att överskrida den bindande energin mellan stjärnorna och riva en av dessa stjärnor bort . Den kommer att fånga den ena stjärnan, men den andra stjärnan lämnar sedan systemet med parets orbitalenergi. Och det är så du får den här extra hastigheten att öka. Det är så att det supermassiva svarta hålet i princip kan fånga en stjärna, fånga den och lämna den andra med hela mängden energi som paret brukade ha. Och den stjärnan kastas sedan ut direkt från galaxen.
Fraser: Då skulle en vanlig, enkel stjärna komma för nära, skulle den inte ha energin att matas ut. Jag tror att jag har sett några simuleringar där stjärnan kommer för nära det svarta hålet och typ av ändrar riktningen på sin bana, men den fortsätter fortfarande att kretsa runt.
Brown: Visst, du kan tänka dig att det är som ett rymdfarkoster som får en slangbult runt Jupiter eller något. Du kan föreställa dig att du kan ändra banan och få fart. Men det finns ingen mekanism i galaxen för att få så mycket hastighet för något som är massan av en 3-4 solmassastjärna. Det kräver en tre-kroppsinteraktion för att skapa den hastighet vi ser. Och vad vi observerar är deras rörelse gentemot oss. De flyttar bort från oss med en hastighet av cirka 1-1,5 miljoner mil i timmen.
Fraser: Hur snabbt skulle stjärnorna ha gått när de kom in för att möta deras uppdelning?
Brown: Jag vet inte säkert. Förmodligen något tio gånger så, precis innan det ögonblicket när de svänger förbi det svarta hålet. Naturligtvis, när du lämnar den gravitationella potentialen i det svarta hålet, saknar de ganska plötsligt. Deras slutliga utrymningshastighet är vad vi ser nu; det är i storleksordningen en miljon mil i timmen. Och det är över två gånger den hastighet som du behöver för att undkomma vår galax helt och hållet. Dessa stjärnor är verkligen exil. De blir utstationerade från galaxen och de kommer aldrig tillbaka.
Fraser: Och en stjärna kastas ut. Vad händer med den andra stjärnan?
Brown: Det är en intressant fråga. Det finns faktiskt en teoridokument som vissa teoretiker har skrivit som antydde att dessa stjärnor i mycket långa elliptiska banor runt det centrala massiva svarta hålet kan vara de tidigare följeslagarna till dessa så kallade hypervelocity-stjärnor som vi har upptäckt. Och det är den typ av bana du kan förvänta dig. Om inte stjärnan är så otur att falla rakt in i det svarta hålet, om den missar bara lite, kommer den bara att svänga runt och sedan vara på en mycket lång elliptisk bana runt det centrala massiva svarta hålet.
Fraser: Och var har paret sitt ursprung? Är detta ett öde som kan påverka vissa närliggande binära stjärnor?
Brown: Ja, det kommer faktiskt till en större bild. Det galaktiska centrumet är en intressant plats. Den har massor av unga stjärnor. Tre av de yngsta massiva stjärnkluster som upptäckts i galaxen kommer från rätt nära det galaktiska centrumet. Och de innehåller några av de mest massiva stjärnorna i galaxen. Så det finns många unga stjärnor som kretsar runt där nere. Frågan är, hur får du en stjärna att finjustera sin bana så att den skjuter rakt mot det supermassiva svarta hålet, istället för att bara kretsa runt den, som jorden som kretsar runt solen. Och det är en öppen fråga. Och en sak som dessa hypervelocity-stjärnor vi har upptäckt börjar ge oss antydningar om hur den mekanismen fungerar. Eftersom till exempel en idé är att vi med dessa stjärnkluster har observerat. Kanske genom dynamisk friktion, när de möter andra stjärnor, kan de långsamt sjunka ner mot det galaktiska mitten där det finns det svarta hålet. Och det som skulle hända, du kan tänka dig att det plötsligt fanns en hel massa stjärnor precis vid det massiva svarta hålet. Du kan få en spräng av dessa hypervelocity stjärnor. Det finns alla slags stjärnor att mata ut. Och ändå har stjärnorna som vi observerar olika resetider från det galaktiska centrumet. Det här är bara suggestivt, men redan nu börjar vi kunna säga något om historien med stjärnor som interagerar med det supermassiva svarta hålet. Och vad som hittills framträder är att det inte finns några bevis för att stjärnkluster faller in i det galaktiska centrumet.
Fraser: Det kan finnas ett slags transportband som stjärnor föds och sedan sjunker de långsamt ner och sedan kastas de ut när de kommer för nära.
Brown: Ja, det är en slags idé. För att transportbandet ska fungera behöver du någon form av massiv plats som ett stjärnkluster för att transportören ska fungera. För att kunna sjunka ner något mot det massiva svarta hålet. Eftersom ett massivt objekt möter massor av massiva objekt visar det sig att de mindre massiva föremålen tenderar att ge av lite mer energi. Eftersom det massiva objektet, i detta fall ett stjärnkluster, tappar energi, försvinner dess bana och det kommer nära det galaktiska mitten.
Fraser: Med det få antalet stjärnor du har hittat och det stora antalet stjärnor i galaxen, måste det ha varit ett ganska svårt jobb att hitta dessa killar. Vad var metoden du använde?
Brown: Ja, det är faktiskt ett av de här spännande resultaten. Den första upptäckten för ett år sedan, efter den första hypervelocitystjärnan, var något av en serendipitös upptäckt. Och den här gången letade vi aktivt efter dem. Och tricket var att dessa saker borde vara mycket sällsynta. Teoretiker uppskattar att det kanske finns tusen av dessa stjärnor i hela galaxen. Och galaxen innehåller över 100 miljarder stjärnor. Så vi var tvungna att titta på ett sätt som gav oss en ganska god chans att hitta fler av dem. Och vår strategi var tvåfaldig. Den ena är att utkanten av Vintergatan innehåller mestadels gamla dvärgstjärnor. Stjärnor som solen, eller mindre stjärnor som är röda. Det finns inga unga, blå massiva stjärnor, och det är den typen av stjärna som vi beslutade att leta efter; stjärnor som är unga och lysande så att vi kan se dem långt borta, men där det inte borde vara sådana stjärnor i utkanten av galaxen. Och den andra delen av strategin var att leta efter svaga stjärnor. Ju längre du går, desto mindre bakgrund galaxstjärnor måste du kämpa med. Och desto mer troligt kommer du att stöta på dessa hypervelocity-stjärnor, i motsats till en annan stjärna som bara kretsar kring galaxen.
Fraser: Och vad är metoden du använder för att berätta hur snabbt stjärnan rör sig?
Brown: För det var vi tvungna att ta ett spektrum av stjärnan. Med hjälp av 6,5 MMT-teleskopet i Arizona pekade vi stjärnan mot en av våra kandidatstjärnor och vi tar ljuset från den stjärnan och vi lägger den i ett regnbågsspektrum och tar en bild av det spektrumet. Och elementen i den stellar atmosfären fungerar som ett fingeravtryck. Du kan se absorptionslinjer på grund av väte och helium och andra element. Och det var med rörelserna, Doppler-förskjutningarna - i det här fallet de röda skifterna - av dessa våglängder berättade för oss hur snabbt stjärnorna rörde sig från oss. Och de flesta stjärnorna i vårt prov var normala galaxstjärnor; de rörde sig ganska långsamma hastigheter, och sedan råkade två av dessa ganska snabbt, och det är de två som vi tillkännagav just nu.
Fraser: Och vad tror du att detta berättar om bildandet av stjärnor, eller galaxens centrum, eller ...
Brown: Det är faktiskt en intressant del av historien den här gången. Nu när vi faktiskt har ett urval av dessa, detta är verkligen en ny klass av objekt, dessa hypervelocity stjärnor, kan vi börja säga något om var de kommer ifrån, som är det galaktiska centrumet. Dessa stjärnor är unika för att berätta historien om vad som har hänt i det galaktiska centrumet. Deras resetider berättar något om historien, vad som har hänt, men också de typer av stjärnor vi ser. I det här fallet är dessa unga, blå stjärnor - dessa 3-4 solmassastjärnor - som astronomer kallar dem stjärnor av B-typ. Det faktum att vi har sett två i vår undersökningsregion, som vi har genomfört i cirka 5% av himlen, överensstämmer med den genomsnittliga fördelningen av stjärnor du skulle se i galaxen. Men inkonsekvent med hur mycket av dessa stjärnkluster du ser i det galaktiska mitten. Så just det faktum av den typ av stjärnor du ser börjar berätta om befolkningen i vad som har skjutits ut ur galaxen. I det här fallet ser det inte ut som att det är dessa supermassiva kluster av stjärnor, utan snarare din genomsnittliga stjärna som vandrar genom galaxen.
Fraser: Och om du hade ett slags super Hubble-teleskop till ditt förfogande, vad skulle du leta efter?
Brown: Åh, vi vill leta efter rörelsen hos dessa stjärnor på himlen. Så allt vi vet om deras lägsta hastighet. Det enda vi kan mäta är deras hastighet i siktlinjen gentemot oss. Det vi inte vet är att det finns hastighet i himmelplanet, den så kallade rätt rörelse. Det är möjligt att göra det med Hubble, om du har 3-5 års baslinjer för att se dessa stjärnor röra sig. Det borde vara en mycket liten rörelse. Om du hade en super Hubble, kanske du kunde se den om ett år. Så det skulle vara väldigt intressant att veta. Inte bara skulle det säga dig med säkerhet att dessa verkligen kommer från det galaktiska centrumet, och inte från någon annanstans, utan också deras banor. Om du visste exakt hur de flyttar ut, berättar varje avvikelse från en rak linje från det galaktiska centret om hur galaxens allvar har påverkat deras bana över tid. Och det är också mycket intressant att veta.
Fraser: Rätt, så det skulle hjälpa till med att planera ut fördelningen av mörk materia.
Brown: Exakt, exakt. Så astronomer sluta sig från närvaron av mörk materia. Vi ser stjärnor som kretsar kring galaxen snabbare än de borde vara bara för att det verkar vara massa som vi inte kan redovisa för att hålla dem i sina banor. Och denna mörka fråga, det är svårt att ta hand om hur den distribueras runt galaxen. Men dessa stjärnor är redan i utkanten av galaxen, och när de passerar genom den, kommer denna störning, denna gravitationella drag av mörk materia när dessa saker reser genom galaxen långsamt upp när de går. Så de mäter faktiskt fördelningen av denna mörka materia, bara på deras banor. Så om du kan mäta deras rörelse, av ett antal stjärnor, börjar det faktiskt ge dig ett handtag om hur den mörka materien fördelas runt galaxen.
