宇宙の「暴走星」はなぜ突然逃げ出したのか？

制作：中国科学普及協会

著者: 郭 延軍 (中国科学院雲南省天文台)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

広大な宇宙の中で、星は砂のようなもので、早期型暴走星はこの星の海の中で最も神秘的な旅人です。それらはまるで宇宙の巨大な手によって突然投げられたダーツのようで、驚くべきスピードで沈黙の虚空を切り裂き、まばゆいばかりの短い軌跡を残していった。これらの星のほとんどは、銀河系のにぎやかな一角、おそらくは密集した星団や星雲の中心で生まれましたが、何らかの未知の力によって、元々の重力による制約から解放され、孤独な放浪の旅に出ました。

「早熟型高速星」とは何ですか？

化学物質が燃焼すると、物質内のさまざまな温度と元素によって独特のスペクトルと色が現れます。したがって、天文学者は天体のスペクトルを分析することによって、天体の元素組成と実効温度を知ることができます。天文学者は、実効温度に応じて恒星のスペクトルを O、B、A、F、G、K、M、R、N、S 型に分類します。

一般的に、O型、B型、A型などの有効温度が高い星は「早生型星」、K型、M型などの有効温度が低い星は「晩生型星」と呼ばれます。

残りは「中間星」と呼ばれ、O型星の約30％とB型星の5％～10％を占め、通常、銀河系内を30～40 km/秒を超える原始的な宇宙速度で移動します。これはロケットの速度の約1,000倍であり、ほとんどの星の通常の移動速度をはるかに超えています。これらの星はいわゆる「暴走星」です。逃走星、または「宇宙の高速逃亡者」は、ほとんどの星とは異なり、天の川銀河の中心の周りを安定して移動するのではなく、非常に高速で誕生の場所から急速に離れる特別なタイプの星です。

早期型暴走星はなぜそれほど重要なのでしょうか?

暴走星の形成メカニズムの研究は、超新星爆発モデル、特殊連星系、連星進化などを理解する上で非常に重要です。暴走星の形成メカニズムは、主に 2 つのタイプに分けられます。 1 つは連星超新星シナリオ (図 1) で、2 つの星が互いに非常に接近し、合体して互いの周りを回る連星パートナーになります。

図1: 暴走星の連星超新星の形成経路

（画像出典：参考1）

このペアでは、より質量の大きい星が非対称な中心核崩壊型超新星爆発を起こすと、その伴星は放出されて暴走星を形成します。さらに、密集した星団では、星々は社交ダンスの参加者のように、絶えず互いに行き来しています。この高密度環境では、多体系の複雑な相互作用により、予期せず一部の恒星が元の段階から押し出され、天の川銀河を旅する一匹狼になる可能性があります (動的放出シナリオについては図 2 を参照)。

図2: 暴走星の動的放出経路

(画像提供: ESA/ハッブルメディア)

LAMOST は「Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope」の略で、「Guo Shoujing Telescope」とも呼ばれます。これは中国科学院国立天文台が独自に開発した革新的な望遠鏡です。広い視野、大口径、最高のスペクトル取得率を誇る世界最大の望遠鏡です。大量の光スペクトルを取得できます。

Gaia は、Global Astrometric Interferometer for Astrophysics の略称です。これは欧州宇宙機関の最も重要なプロジェクトの一つです。その出現により、人類による天文学的測定の精度が大幅に向上し、天の川銀河の起源、構造、進化の歴史に関連する一連の重要な問題を解決するために必要なデータが提供されるでしょう。

最新の観測機器によって得られた大量のサンプルデータに基づいて、天文学者たちは暴走星の姿がより鮮明になってきた。過去の観測研究では、いくつかの暴走星が発見されていますが、ほとんどのサンプルには視線速度の一貫した測定情報が欠けています。今回発見された229個の早期型暴走星は、ガイア天文データに基づく既知の暴走星研究の中で、視線速度が一定である最大のサンプルです。

視線速度は天文学では視線速度 (Vr) とも呼ばれ、物体 (天体など) が観測者の視線の方向に移動する速度を指します。この速度成分は、観察者に向かう、または観察者から離れる物体の動的特性を反映します。見かけの速度と接線速度を合わせて空間速度を構成し、これは天体の運動法則を研究し、宇宙の構造と動的特性を探る上で非常に重要です。予測された回転速度は、天体の実際の回転速度を推測するために使用できます。

研究者たちは、このサンプル群の投影回転速度と空間速度の分布に基づいて、このサンプルでは、​​ほとんどの暴走星の投影回転速度と空間速度は小さいが、同時に投影回転速度と空間速度が大きい暴走星はほとんどないことを発見しました（図3を参照）。この特徴は暴走星の形成経路と密接に関係している可能性があります。

図3: 暴走星の固有空間速度と投影された回転速度の関係

（画像出典：参考資料2）

研究者らは天の川銀河内の逃走星サンプルの空間分布をさらに調査し、逃走星のほとんどが天の川銀河の薄い円盤に位置している可能性があることを発見した。研究者らは、このサンプル内の逃走星の軌道解析を複数の視線速度測定で実行することで、それぞれ軌道周期が40日と61日の逃走連星である可能性のある2つのサンプルも発見した。

結論

逃走星は、天の川銀河の構造や超新星爆発などの最先端のテーマの研究において重要な役割を果たします。次に、研究者たちは、これらのより統計的に重要な参照サンプルに基づいて、暴走星の起源の研究を続ける予定です。天文観測技術の継続的な進歩とデータ分析能力の継続的な向上により、星間塵を貫通し、遠方の銀河の最も微かな光を捉え、膨大な天文データを宇宙の謎を解明する黄金の鍵に変換できるようになります。いつの日か、暴走星の謎が一つずつ明らかになり、恒星の進化、銀河のダイナミクス、さらには宇宙の大規模構造を結びつける重要な架け橋となるでしょう。

参考文献:

1. Renzo、M.、Zapartas、E.、de Mink、SE、他。 2019年、A＆A、624、A66。

2.Guo, Y., Wang, L., Liu, C., et al. 2024年、ApJS。