Галактика Андромеда, крупнейшая в Местном скоплении галактик, в настоящее время движется по направлению ко второй по величине галактике в скоплении — нашему Млечному Пути. Через несколько миллиардов лет они сольются. Но может ли быть так, что некоторые звёзды уже преодолели этот путь, прилетев из одной галактики в другую? Очевидно, это должны быть звёзды с аномально высокой скоростью, или гиперскоростные звёзды, которые фиксирует космический телескоп Gaia. По подсчётам астрономов, сейчас в нашей Галактике может находиться от десятка до нескольких тысяч звёзд, прилетевших из Андромеды. Остаётся только их найти.
Звёзды на небе обычно воспринимают как стационарные объекты, единственное перемещение которых — вращение небесной сферы при суточном обращении Земли. Но все звёзды обладают собственным движением. Поскольку они расположены слишком далеко, такое движение нельзя было зафиксировать до изобретения телескопов. Долгое время это было существенным аргументом против принятия астрономами гелиоцентрической картины мира даже при вынесении за скобки богословских вопросов. Но и сейчас собственное движение большинства звёзд сложно заметить. Есть исключения — например, известная звезда Барнарда в созвездии Змееносца. Эта звезда-красный карлик проходит по небесной сфере в год 10,39 угловых секунд (для сравнения — диаметр Луны составляет 1900 секунд дуги, или примерно половину градуса, то есть всего за 190 лет эта звезда смещается по небу на целый диск полной Луны). Такая прыть объясняется тем, что объект находится на расстоянии всего 6 световых лет — это четвёртая по удалённости от Солнечной системы звезда, причём первые три — это компоненты тройной системы Альфа Центавра.
Другой тип звёзд, быстро перемещающихся по небесной сфере — гиперскоростные звёзды (HVS, hyper-velocity stars), и это действительно самые быстрые объекты из известных в Галактике. Такими называют звёзды со скоростями порядка тысячи километров в секунду. Скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца — всего 30 км/сек, а характерные скорости обычных звёзд в Галактике — порядка 100 км/сек. Первую гиперскоростную звезду обнаружили в 2005 году. С тех пор открыли несколько десятков таких объектов, и некоторые из них имеют шанс оторваться от Галактики, то есть их скорость больше четвёртой космической для преодоления гравитационного потенциала Млечного Пути. Такие звёзды называют межгалактическими. Предполагается, что в Галактике должно быть около тысячи гиперскоростных звёзд. В настоящее время основной инструмент для исследования движения звёзд — космическая обсерватория Gaia Европейского космического агентства. Кроме фотометрии (измерения излучения от звёзд) она определяет расстояния до звёзд методом параллакса, а также исследует их собственное движение, периодически наблюдая одни и те же объекты и отмечая их смещение. В числе прочего, именно данные Gaia в 2018 году позволили идентифицировать 20 гиперскоростных звёзд, часть из которых убегала из Галактики, но часть, наоборот, направлялась к нам откуда-то из внегалактических источников.
Обычно движение звезды — результат её вращения вокруг центра Галактики. Солнце совершает один такой оборот за 220 миллионов лет (галактический год), двигаясь со скоростью около 200 км/сек. Звёзды с аномальными собственными скоростями, как предполагают, получают импульс при гравитационном взаимодействии двойной звёздной системы и чёрной дыры. При этом механизме чёрная дыра поглощает одну из звёзд в паре, другая же согласно закону сохранения импульса выбрасывается с огромной скоростью. Есть и другие теоретические механизмы, например, выброс с большой скоростью также из двойной звёздной системы, когда парная звезда превращается в Сверхновую.
Сверхскоростная звезда, преодолевшая галактическую гравитацию, может не только вылететь из своей галактики, но и залететь в соседнюю. Рядом с Млечным Путём на расстоянии 2,5 миллиона световых лет в Местном скоплении галактик находится галактика Андромеды. Она массивнее нашей, и очевидно, в ней находится сопоставимое количество собственных сверхскоростных звёзд. Две галактики движутся навстречу друг другу и через пять миллиардов лет сольются, хотя по некоторым данным это слияние уже началось: внешние газовые оболочки галактик почти соприкасаются, а самые дальние звёзды Млечного Пути находятся на полпути к Андромеде (подробнее про структуру внешних оболочек галактик и их возможное взаимопроникновение можно прочитать в двух других статьях по ссылкам под этой заметкой). Чтобы понять степень взаимодействия галактик, астрономы задались вопросом — не могут ли некоторые гиперскоростные звёзды поблизости происходить из соседней крупной галактики Андромеды?
Астрофизики промоделировали траектории 18 миллионов гиперскоростных звёзд, зарождающихся в Андромеде, в двух сценариях — в предположении равных масс двух галактик и если масса Млечного Пути составляет около половины массы Андромеды (это ближе к истине в настоящую эпоху, но несколько миллиардов лет назад ситуация могла быть другой). Чтобы определить судьбу такой звезды, нужно принять во внимание относительное движение двух галактик, а также смоделировать гравитационный потенциал двойной галактической системы. Исследование по результатам моделирования миграции сверхбыстрых звёзд из соседней галактики в нашу в марте 2024 года опубликовано в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Начальное положение будущей гиперскоростной звезды при моделировании выбиралось случайным образом возле центра Андромеды. Также случайно выбиралось направление выброса. Результаты показали, что 0,013—0,011% таких гиперскоростных звёзд находятся на расстоянии до 50 килопарсек от центра Млечного Пути. Сколько же в итоге может быть таких звёзд, доступных наблюдению? Ответ зависит от множества предположений, в частности, от скорости рождения таких гиперскоростных объектов в галактике. Эта величина неизвестна, но можно опираться на оценку для Млечного Пути, предположив, что в Андромеде ситуация схожая. Астрономы считают, что одна такая звезда может достигать скоростей выброса из галактики от одного раза в 100 лет до одного раза за 30 тысяч лет (верхняя и нижняя оценка скорости образования гиперскоростных звёзд). Отсюда получается, что во Млечном Пути может единовременно присутствовать от примерно десятка до четырёх тысяч гиперскоростных звёзд, прилетевших из Андромеды.
Можно промоделировать и распределение скоростей таких объектов после того, когда они уже долетели до Галактики. Очевидно, при этом нужно учесть торможение звёзд в гравитационном потенциале обеих галактик. Оказывается, если начальная скорость звёзд достаточно большая, то многие из них приблизительно сохраняют свой импульс, то есть продолжают полёт в соседней галактике также как гиперскоростные объекты. Весьма небольшая часть из них замедляется и становится объектами Млечного Пути. Также, поскольку время транзита звезды между галактиками значительно, за время полёта многие из звёзд успеют «состариться» и сойти с Главной последовательности. Пока что нельзя сказать, какие и сколько из наблюдаемых сверхскоростных звёзд прилетели извне Галактики. Моделирование всего лишь даёт оценку с широким разбросом и не исключает такого сценария миграции. В будущем, возможно, по особенностям траекторий и распределению скоростей удастся идентифицировать такие звёзды, долетевшие до нас от соседей.