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速度|银河系中一路狂飙的“博尔特”

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数以千亿计的恒星生活在我们的银河系中 ， 它们无时无刻不在“奔跑” 。 科学家们常常会想：这些恒星到底会跑多快？它们中也会有“博尔特”吗？
恒星中的“博尔特”

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图1：超高速星“逃离”银河系想象图（图源：网络）
银河系中还真的有“博尔特” ， 它们就是高速星 ， 是一种“跑”得很快的恒星 。
对于恒星 ， 多高的速度算快呢？
大多数恒星的速度是每秒几十至一百多公里 ， 明显高于这个速度就算“跑”得很快 。 已发现的高速星中 ， 速度至少是每秒400至450公里 ， 有的甚至高达每秒1700公里 。
高中物理知识告诉我们 ， 超过第二宇宙速度（每秒11.2公里）将摆脱地球的“控制” ， 超过第三宇宙速度（每秒16.7公里）将摆脱太阳的“束缚” ， 离开太阳系 。

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图2：三大宇宙速度示意图（图源：网络）
你可能会想 ， 高速星每秒几百甚至一千多公里的速度 ， 能够逃脱银河系的“如来佛掌”吗？这是个很重要的问题 ， 解答它需要知道银河系的“逃逸速度” 。 类似于前面提到的第二和第三宇宙速度 ， “逃逸速度”是恒星逃离银河系所需要的最小速度 。 研究发现 ， 太阳附近的“逃逸速度”大约为每秒500至600公里 。
如此看来 ， 绝大多数已发现的高速星都无法从银河系“逃跑” ， 它们如同被如来佛祖攥在手心里的悟空师兄一样 ， 被命运牵绊 ， 无法来一场率性而为说走就走的“旅行” 。 只有少数幸运儿 ， 能够少一些束缚 ， 飞向更远更广阔的星际世界 。
就是这么快
近日 ， 嫦娥五号探测器携约1.73公斤月球土壤归来 ， 双子座流星雨也如期而至 ， 这无疑是庚子年末最博人眼球的天文热点事件 。

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图3：嫦娥五号顺利升空（图源：维基百科）

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图4：国家天文台兴隆观测站星空上演的流星雨 ， 图中建筑为郭守敬望远镜（图源：袁凤芳）
让我们脑洞大开试着想象一下：如果嫦娥五号和流星雨像高速星一样“跑”得快 ， 会发生什么呢？
假如嫦娥五号每秒跑几百甚至上千公里 ， 别说月亮 ， 就是太阳系也“拦不住”它 ， 这种状况下“登月着陆”、“月球土样提取”和“返回地球”的任务根本无法实现 ， 嫦娥五号将带着遗憾逃离太阳甚至银河系 。
流星的发光时间一般为1到2秒 ， 如果流星以高速星的速度划破夜空 ， 发光时间大概只有零点几秒 。 如果观看这么一场高速流星雨 ， 您根本没有反应的时间 ， 直到流星消失了 ， 您的脑海可能还在反复确认一个问题：刚才那个是流星吗？
嗯 ， 是的 。 唉 ， 不对 ， 好像不是 。

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图5（图源：网络）
高速星家族
科研工作者最喜欢的事情之一 ， 是把研究对象做各种分类 ， 然后从不同角度和维度去观察和研究它们 。 面对高速星 ， 研究人员亦不能“免俗” ， 让我们一起来认识一下高速星的家庭成员 。
目前来看 ， 这个家族不算庞大 。
研究人员按照能不能从银河系“逃跑”和 在哪里“出生”两个条件 ， 把高速星分为四类 ， 分别是“超高速星”、“超高速逃逸星”、“逃跑星”和“快速晕星” 。
大哥“超高速星” 。 它们是能够从银河系“逃跑”的恒星 ， 在银心附近意外获得的巨大能量改变了它们原本的运动速度 ， 使它们成为备受瞩目的“超高速星” 。 所以 ， 大哥可以看作是在银心“诞生”的 。
提到银河系中心 ， 您一定会想到神秘的黑洞 ， 也一定会联想到超高速星的诞生会不会跟黑洞有关系？天文学家也是这么猜测的 ， 他们在理论上证实：恒星与银心黑洞之间的相互作用是大哥“诞生”的原因 。
二哥“超高速逃逸星” 。 它们也能够从银河系“逃跑” ， 与大哥不同的是 ， 它们的诞生地是银盘 ， 这里被视为恒星的摇篮 ， 孕育着很多恒星 。 银盘上恒星密度比银河系外围高 ， 恒星之间的相互作用是二哥“诞生”的原因 。
三哥“逃跑星” 。 它们跟二哥一样 ， 都“诞生”于银盘 ， 产生的原因也类似 。 所不同的是 ， 三哥获得的能量没有二哥那么大 ， 所以它们还在银河系“魔掌”的控制之下“生活” 。 不出意外的话 ， 银河系以外的风景老三是无缘目睹了 。
四弟“快速晕星” 。 这个四弟其实是个“外来户” ， 它们从银河系的卫星星系或其它星系“过继”而来 。 银河系并不孤独 ， 它的周围还有质量更小的卫星星系 ， 目前已发现几十个矮星系 ， 比如大小麦哲伦星系等 。 银河系和它的邻居们并不是老死不相往来 ， 有时也会串串门 。 这一串门可好 ， 银河系强大的“个人魅力”让卫星星系里的一些恒星留了下来 ， 当它们从卫星星系被“撕扯”下来的时候获得了很高的速度 。
两个豪门的联姻
豪门最大的特点是啥？那就是家里有“矿”
探寻高速星这种稀罕“物件” ， 需要“矿”特别多的巡天项目 。 不同望远镜的能力和“肩负”的使命不同 ， 收集“矿”的种类和数量也不同 ， 这就需要“矿”多的项目“联合”起来 ， 像联姻一样优势互补 。
LAMOST——郭守敬望远镜 ， 中国天文学家自主研制的第一架大视场兼备大口径的光学望远镜 ， 它的光谱获取效率世界第一！正式巡天八年来 ， LAMOST共获得一千四百多万条光谱 ， 是光谱观测领域的超级“豪门” 。

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图6：郭守敬望远镜（图源：于海童）
您可能会想 ， 要光谱干啥?
光谱是天体研究的重要手段之一 ， 天文学家借助它们就能得到发现高速星所需要的部分信息 。
Gaia——欧洲航天局2013年发射的一颗测量恒星位置、亮度和距离等参数的卫星 ， 已为十多亿恒星测量了这些信息 ， 是这个领域的超级“大佬” 。

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图7：Gaia望远镜（图源：维基百科）
如果LAMOST和Gaia两大“豪门联姻” ， 就集全了探寻高速星需要的所有参数信息 ， 两个“豪门”充足的“矿”为更多高速星的发现带来机遇 。
2020年 ， 国家天文台研究人员完成了LAMOST和Gaia的“联姻” ， 在豪门充足的“矿”中发现了591颗高速星 ， 其中43颗能够摆脱银河系的“控制” 。 自2005年发现第一颗高速星 ， 科学家历经15年 ， 使用多个设备共发现约550多颗高速星 ， 其中40多个被证实能够从银河系“逃跑” 。
这次两大“豪门”的“联姻”提高了高速星的发现效率 ， 研究人员仅用两个观测设备 ， 一次性发现了比前人15年积累的全部“家当”还多的高速星 ， 首次使高速星总数突破1000颗 ， 这次发现必将开启“豪门联姻”大规模“挖掘”高速星的新时代 。
研究人员还发现 ， 这是一批生活在银晕中的高速星 ， 它们符合银晕恒星的主要特点：“年纪”大、大气中金属元素含量低、且在比较扁的轨道上运动 。
另外 ， 这591颗高速星大气中金属元素含量的分布情况 ， 向研究人员透漏着一个关于银河系形成的秘密：若干年以前 ， 银河系的晕可能是通过“掠夺”邻居们的“家当”形成的 ， 这些可怜的邻居们是谁呢？就是我们前面讲过的卫星星系 ， 或者叫矮星系 。

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图8：591颗高速星在银河系的位置和运动轨道示意图（图源：国家天文台孔啸绘制）
作者简介：李荫碧 ， 中国科学院国家天文台副研究员 ， 主要从事超高速星及海量光谱分析等领域研究 。 李双 ， 中国科学院国家天文台工程师 ， LAMOST运行与发展中心办公室宣传主管 。 罗阿理 ， 中国科学院国家天文台研究员 ， 博士生导师 ， LAMOST运行与发展中心数据处理部主任 ， 主要从事海量天体光谱分析等领域研究 。
【速度|银河系中一路狂飙的“博尔特”】[责任编辑: 赵宇豪 ]

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