银河系核心的“僵尸恒星”几乎无视时间

新的研究追踪了生活在银河系中心黑洞附近的恒星的命运。

尽管它们很古老，但围绕银河系中心超大质量黑洞运行的一些恒星看起来似乎很年轻。但与人类不同的是，人类在新一轮胶原蛋白注射后可能会显得年轻，而这些恒星看起来年轻的原因要黑暗得多。

它们吃邻居

这只是西北大学最新研究的一个更奇特的发现。天体物理学家使用一个新模型，追踪了1000颗模拟恒星围绕银河系中心超大质量黑洞人马座a*（Sgr a*）的剧烈运动。

由于恒星密度如此之大，这个区域经常会发生残酷的恒星碰撞。通过模拟这些强烈碰撞的影响，这项新研究发现，碰撞幸存者可能会失去质量，变成精简的低质量恒星，或者与其他恒星合并，变得大质量，并在外观上重新焕发活力。

西北大学的萨内亚·C·罗斯（Sanaea C. Rose）是这项研究的负责人，他说：“中心黑洞周围的区域密集着以极高速度移动的恒星。这有点像在高峰时间跑过纽约市一个非常拥挤的地铁站。如果你没有撞到其他人，那么你也会离他们很近。对于恒星来说，这些近距离碰撞仍然会使它们产生引力相互作用。我们想探索这些碰撞和相互作用对恒星种群意味着什么，并描述它们的结果。”

罗斯在加州萨克拉门托举行的美国物理学会（APS） 4月会议上展示了这项研究。“银河系中心的恒星碰撞”是“粒子天体物理学和银河系中心”会议的一部分。

罗斯是西北大学天体物理学跨学科探索和研究中心（CIERA）的林德海默博士后研究员。她在加州大学洛杉矶分校攻读博士学位时开始了这项工作，当时她的导师是天体物理学家、前西北大学博士后斯玛达尔·纳奥兹（Smadar Naoz）。

注定要相撞

我们银河系的中心是一个奇怪而荒凉的地方。人马座A*的引力使恒星以惊人的速度绕轨道旋转。挤在星系中心的恒星的绝对数量超过一百万颗。密集的星团加上闪电般的速度，相当于一场高速爆破德比。在最里面的区域 —— 距离黑洞0.1秒差距以内 —— 很少有恒星能毫发无损地逃脱。

“离太阳最近的恒星大约有4光年远，”罗斯解释说。“在超大质量黑洞附近的相同距离内，有超过100万颗恒星。这是一个非常拥挤的社区。最重要的是，超大质量黑洞具有非常强大的引力。当它们围绕黑洞运行时，恒星可以以每秒数千公里的速度移动。”

在这个紧凑而忙碌的社区里，恒星可能会与其他恒星相撞。离超大质量黑洞越近的恒星，碰撞的可能性就越大。由于对这些碰撞的结果感到好奇，罗斯和她的合作者开发了一个模拟程序，以追踪银河系中心恒星种群的命运。模拟考虑了几个因素：星团的密度、恒星的质量、轨道速度、引力以及与人马座A*的距离。

从“暴力击掌”到全面合并

在她的研究中，罗斯指出了一个最有可能决定恒星命运的因素：它与超大质量黑洞的距离。

在距离黑洞0.01秒差距的范围内，恒星以每秒数千公里的速度移动，不断地相互碰撞。正如罗斯所描述的那样，这很少是正面碰撞，更像是“猛烈的击掌”。撞击的强度不足以完全粉碎恒星。相反，它们脱落了外层，继续沿着碰撞过程加速。

“它们互相撞击，然后继续前进，”罗斯说。“它们只是擦身而过，就好像在热烈地击掌一样。这导致恒星喷射出一些物质，失去外层。根据它们移动的速度和碰撞时重叠的程度，它们可能会失去相当多的外层。这些破坏性的碰撞导致了一群奇怪的、被剥离的、低质量的恒星。”

在0.01秒差距之外，恒星以更轻松的速度移动 —— 每秒数百公里，而不是每秒数千公里。由于速度较慢，这些恒星相互碰撞，但随后没有足够的能量逃脱。相反，它们会合并，变得更大。在某些情况下，它们甚至可能合并多次，变得比太阳大10倍。

罗斯说：“一些恒星赢得了碰撞彩票。通过碰撞和合并，这些恒星收集了更多的氢。虽然它们是由较老的恒星群形成的，但它们伪装成年轻的新星。它们就像僵尸星；它们吃邻居。”

但年轻的外表是以更短的预期寿命为代价的。

“它们死得很快，”罗斯说。“大质量恒星有点像巨大的耗油汽车。它们一开始有很多氢气，但它们燃烧得非常非常快。”

“不同于其他任何极端环境”

虽然，罗斯在研究银河系中心附近的奇异极端区域中找到了简单的乐趣，但她的工作也可以揭示银河系历史的信息。由于中心星团极难观察，她的团队的模拟，可以揭示其他隐藏的过程。

“这是一个不同于其他任何地方的环境，”罗斯说。“在一个非常拥挤的区域受到超大质量黑洞影响的恒星，与我们在太阳系附近看到的任何恒星都不一样。但如果我们能了解这些恒星的数量，那么我们可能就能了解一些关于银河系中心是如何形成的新东西。至少，它确实为我们居住的社区提供了一个对比点。”

罗斯在美国物理学会的演讲包括2024年3月《天体物理学杂志通讯》和2023年9月《天体物理学杂志》发表的研究。

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