Choć gwiazdy należące do Drogi Mlecznej wykonują wiele różnych ruchów w trakcie swojego obiegu wokół jej centrum, na naszym niebie sprawiają wrażenie obiektów o niezmiennym położeniu. Liczba gwiazd w naszej galaktyce szacowana jest na 200 do 400 miliardów i można wśród nich znaleźć kilka wyjątkowych, masywnych i gorących egzemplarzy. Poprzez oddziaływanie grawitacyjne z innymi ciałami udało im się osiągnąć prędkości nawet trzykrotnie większe niż nasze Słońce. Te superszybkie gwiazdy prawdopodobnie pokonają siłę przyciągania Drogi Mlecznej i opuszczą naszą galaktykę.
Szybko poruszające się gwiazdy zazwyczaj pochodzą z młodych gromad. Niektóre z tych uciekających gwiazd przekraczają jednak niezwykle wysokie wartości prędkości. W ciągu ostatnich kilku lat badań naukowcy wykryli aż kilkadziesiąt takich obiektów. Większość z nich to gwiazdy o typie widmowym B, masie około pięciu mas Słońca i temperaturze powierzchni ponad 10 000 K. Znaczna ich część znajduje się w halo galaktycznym Drogi Mlecznej, obiegając jej środek z prędkością ponad 1.1 miliona km/h w odległości co najmniej 150 000 lat świetlnych. Każda z tych gwiazd ma oczywiście potencjał do ucieczki spod grawitacyjnego panowania naszej galaktyki.
Pierwsze spojrzenie na niezwykłe obiekty
Istnienie ciał o ekstremalnie wysokich prędkościach zapostulowane zostało już w 1988 roku przez teoretyka Jacka Hillsa, jednak musieliśmy czekać aż do 2005 roku na pierwsze dowody obserwacyjne. To właśnie wtedy naukowcy przez przypadek natknęli się na SDSS J090745.0+024507 podczas poszukiwań ciemnych niebieskich gwiazd należących do halo. Odkryta w ten sposób gwiazda znajduje się około 350 000 lat świetlnych od centrum galaktyki, a jej prędkość radialna została oszacowana na 2.42 miliony km/h. Drogę z samego środka Drogi Mlecznej aż na jej obrzeża pokonała w zaledwie 140 milionów lat.
Podejrzewa się obecnie, iż większość superszybkich gwiazd przyspieszana jest poprzez oddziaływanie grawitacyjne z centralną czarną dziurą naszej galaktyki – Sagittarius A*. Badacze wciąż zastanawiają się jednak, czy wśród gwiazd Drogi Mlecznej znajdują się międzygalaktyczni podróżnicy. Brakuje również jeszcze odpowiedzi na pytanie, czy tak wysokie prędkości gwiazdy mogłyby osiągać poprzez oddziaływania wewnątrz gęstych gromad gwiazd bądź w wyniku wybuchu supernowej.
Najprostszym modelem wyjaśniającym takie wysokie przyspieszenie jest wymiana energii pomiędzy składnikami układu podwójnego. Gdy czarna dziura złapie jeden z nich, drugi zostaje gwałtownie wyrzucony w stronę obrzeży galaktyki. Według niektórych badaczy możliwe jest, aby gwiazda taka osiągnęła prędkość bliską prędkości światła, lecz taki przypadek nie został jeszcze zaobserwowany i pozostaje na razie teoretycznym przewidywaniem. Liczba superszybkich gwiazd w Drodze Mlecznej nie jest jeszcze znana, jednak sądzi się, iż może ich istnieć kilkaset. Naukowcy za pomocą metod spektroskopowych szacują położenia tych gwiazd oraz ich prędkości radialne, które porównywane są następnie do minimalnej prędkości ucieczki.
Wszystkie takie odkryte dotychczas obiekty należą do typu widmowego B i są obecnie gwiazdami ciągu głównego. Oznacza to, iż w ich jądrach zachodzi reakcji fuzji wodoru w hel. Ciała te żyją jedynie kilkaset milionów lat, dlatego wszyscy byli bardzo zaskoczeni, gdy znaleziono je na obrzeżach Drogi Mlecznej. Jest to obszar zawierający jedynie stare, lekkie gwiazdy o niskiej zawartości metali i nie zachodzą tam też żadne procesy gwiazdotwórcze. Najlepszym wytłumaczeniem okazała się teoria „kosmicznej procy”, która opisuje oddziaływanie układu podwójnego gwiazd z czarną dziurą.
Jak skutecznie rozpędzić gwiazdę?
Po wyznaczeniu prędkości radialnej gwiazdy względem Ziemi, naukowcy są w stanie określić jej prędkość względem środka Drogi Mlecznej. Problemem pozostaje jednak prostopadła do naszego kierunku patrzenia składowa tej prędkości – tak zwana prędkość tangencjalna. W celu jej wyliczenia naukowcy obserwują ruch gwiazdy na tle bardziej odległych obiektów, lecz proces ten może trwać wiele lat. Nawet najszybsze z tych gwiazd nie przekraczają 0.000000005 stopni na rok.
Teleskopy naziemne nie posiadają wystarczającej dokładności, dlatego obserwacje te muszą być prowadzone przez teleskopy kosmiczne. Do takich pomiarów Europejska Agencja Kosmiczna przeznaczyła sondę Gaia, która przez kolejne dwa lata zajmować się będzie wyznaczaniem precyzyjnych parametrów ruchu kandydatów na superszybkie gwiazdy.
Przeprowadzone obserwacje pomogą również rozstrzygnąć, czy rzeczywiście wszystkie badane obiekty pochodzą z okolic Sagittarius A*, czy być może niektóre z nich przywędrowały do nas z innych galaktyk. Jedną z takich gwiazd może być HE 0437–5439. Znajduje się one bardzo blisko Wielkiego Obłoku Magellana i naukowcy nie wiedzą, czy powstała w drodze Mlecznej, czy przybyła z sąsiadującej galaktyki karłowatej. Jeden z astronomów zajmujących się superszybkimi gwiazdami jest jednak przekonany, iż gwiazda ta powstała w centrum Drogi Mlecznej. Uważa on, że jedynie Sagittarius A* jest w stanie przyspieszyć gwiazdy do tak ekstremalnych szybkości. Według opracowanej przez niego teorii, początkowo gwiazda była składnikiem ciasnego układu podwójnego, okrążanego przez trzecią, bardziej odległa gwiazdę. Układ tych ciał zbliżył się do czarnej dziury, która przyciągnęła trzecią gwiazdę, wyrzucając pozostałe dwie wspólnie w kierunku halo galaktycznego. Bardziej masywna z nich po pewnym czasie zamieniła się w czerwonego olbrzyma i w wyniku połączenia obu gwiazd końcowo powstał błękitny maruder.
Laura MeissnerZaproponowano jednak również inne wytłumaczenia istnienia tych niezwykłych obiektów. Skupmy się zatem na mniej masywnych gwiazdach, które w wyniku ewolucji przemieniły się w czerwone olbrzymy. Według niektórych naukowców prawdopodobieństwo, że takie obiekty powstały w centrum naszej galaktyki jest znikome. Z niecierpliwością czekają oni na wyniki badań Gai, które pozwolą prześledzić tory ruchów tych gwiazd i wyznaczyć miejsce ich narodzin.
Omówiony został już model uwzględniający oddziaływanie układu podwójnego z czarną dziurą, jednak astronomowie rozważają jeszcze drugą teorię dotyczącą powstawania superszybkich gwiazd. Sądzą oni, iż proces ten jest możliwy, gdy masywniejszy ze składników ciasnego układu podwójnego rozpocznie ostatni etap w swoim życiu. Po wybuchu supernowej pozostaje gwiazda neutronowa bądź czarna dziura, która nie jest już związana grawitacyjnie z drugim składnikiem pierwotnego układu. Pozwala to ostatecznie obu ciałom poruszać się w niezależne strony,
Doskonały przykładem tego mechanizmu jest gwiazda neutronowa RX J0822–4300, której prędkość wynosi 2.4 miliony km/h. Jej ruch zapoczątkowany został przez supernową Puppis A, znajdującą się około 7000 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Rufy. Astronomowie podejrzewają, że w trakcie jej wybuchu równowaga układu została zachwiana i gwiazda neutronowa odłączyła się od pozostałej części materii, ruszając w przeciwną stronę.
Ciekawym przykładem jest także US 708 – najszybsza znana naukowcom gwiazda, której prędkość wynosi 4,3 miliony km/h. Charakteryzuje się ona dużą zawartością helu i jest jedną z najgorętszych gwiazd w naszym galaktycznym halo. Analizując trajektorię jej lotu, łatwo stwierdzić, iż prawdopodobnie nie powstała w centrum Drogi Mlecznej. Astronomowie podejrzewają, że była kiedyś częścią kontaktowego układu podwójnego. Jej towarzyszem był ekstremalnie masywny biały karzeł, który po przemianie US 708 w czerwonego olbrzyma przyciągnął znaczną część wodorowej powłoki. Skutkiem tego procesu była rzadko występująca supernowa typu Ia, której siła wysłała gwiazdę w szybką podróż przez galaktykę.
Wydawać by się mogło, że rozmieszczenie superszybkich gwiazd w galaktyce powinno być w miarę losowe i równomierne, jednak z danych obserwacyjnych wynikają zupełnie inne wnioski. Okazuje się, że największe skupisko takich obiektów o typie widmowym B znajduje się w okolicach gwiazdozbioru Lwa. Może to oznaczać, że oddziaływanie z czarną dziurą w centrum galaktyki powoduje, że są wyrzucane tylko w jednym konkretnym kierunku. Taka sytuacja byłaby możliwa, gdyby wszystkie te obiekty pochodziły z gwiezdnego dysku otaczającego Sagittarius A*.
Warto jednak pamiętać, że może to być również wynik małej ilości danych obserwacyjnych. Przeprowadzony ma zostać precyzyjny przegląd nieba, który pomoże rozstrzygnąć ten problem. W szczególności astronomowie chcą wiedzieć, czy również okolice gwiazdozbioru Wodnika, który znajduje się naprzeciwko Lwa, są pełne tych wyjątkowych obiektów. Gdy dostępne będzie wystarczająco dużo danych, naukowcy będą mogli wykorzystać superszybkie gwiazdy do badania budowy Drogi Mlecznej i wypełniającej jej tajemniczej ciemnej materii. Jej rozkład przestrzenny w znaczny sposób powinien wpływać na kształty torów ruchu tych ciał. Badania te dostarczą informacji między innymi na temat tego, czy skupisko ciemnej materii ma kształt sferyczny, czy jednak bardziej spłaszczony na biegunach galaktyki. Jeśli okaże się, że rozkład tych gwiazd nie jest nierównomierny, może to również oznaczać, że rozmieszczenie materii w centralnym zgrubieniu galaktyki jest asymetryczne.
Spojrzenie w przyszłość
Obecnie prowadzone badania są ograniczone przez możliwości techniczne wykorzystywanych teleskopów, dlatego obserwuje się jedynie masywne i jasne gwiazdy. Rozwój nauki pozwoli jednak w przyszłości spojrzeć również na obiekty podobne do naszego Słońca i przez analizę ich widma wyznaczać prędkości. Do obserwowania ich torów ruchu oraz szacowania miejsca narodzin wykorzystana zostanie sonda Gaia. Połączenie wszystkich zebranych informacji pozwoli naukowcom odpowiedzieć na wiele nurtujących nas do dzisiaj pytań.
