Гипотезы о существовании гиперскоростных звёзд появились ещё в конце 1980-х годов, но только в 2005 году были подтверждены первые открытия объектов этого типа. Согласно оценкам, в Млечном Пути должно быть около 1000 гиперскоростных звёзд. Новое исследование указывает на то, что часть из них может происходить из соседней галактики — Большого Магелланова Облака. В этом случае катапультой, выбрасывающей звёздный материал, может быть сверхмассивная чёрная дыра в центре этой галактики. Существование её пока не подтверждено, и такие объекты, если они есть в карликовых галактиках, несколько меняют наши представления о галактической эволюции.
Скорость большинства звёзд в Галактике имеет порядок 100 км/секунду. Гиперскоростные звёзды сильно выбиваются из этой статистики — они могут перемещаться со скоростями до 1000 км/сек. Самая распространённая точка зрения на происхождение таких звёзд — они происходят из центра Галактики. Некоторые двойные звёздные системы подходят слишком близко к аномально тяжёлому объекту в центре Галактики под названием Sgr A*, то есть к сверхмассивной чёрной дыре. На небесной сфере центр Галактики, и соответственно Sgr A* находится в южном созвездии Стрельца, на что и указывает название объекта (Sgr = созвездие Стрельца, или Sagittarius). В таком сценарии одна из звёзд в паре поглощается чёрной дырой, а вторая в силу закона сохранения импульса приобретает сверхвысокую скорость. Такой эффект называется механизмом Хиллса. Нужно отметить, что даже существование объекта Sgr A* изначально подтверждалось именно наличием очень быстрых звёзд, перемещающихся вблизи галактического центра.
Новое исследование, выход которого в начале 2025 года ожидается в Astrophysical Journal, показывает, что некоторое количество гиперскоростных звёзд Млечного Пути может происходить из соседней карликовой галактики — Большого Магелланова Облака.
Ещё в 2006 году в Галактике удалось установить первые несколько гиперскоростных звёзд. На сегодня их известно 21. Они все движутся во внешнем звёздном гало Млечного Пути. Такое точное число несколько условно и зависит от того, на каких собственных скоростях мы начинаем считать космическое тело сверхскоростным. Один из критериев здесь — скорость звезды должна превышать скорость, на которой можно «убежать» из Галактики (четвёртую космическую), но численные значения отсечки могут различаться, так как сама эта скорость зависит от точки старта. Можно, например, условно принять порог в 500 км/секунду в системе отсчёта, связанной с Галактикой, но по отношению к Солнцу в скорость каждой звезды нужно будет всё равно вносить поправку из-за собственного движения Солнца. Кроме того, общее у этих звёзд то, что они относятся к звёздному классу B на Главной последовательности. На момент каталогизации этих 21 звёздных объектов считалось, что (почти) все они происходят из-за динамического взаимодействия со сверхмассивной чёрной дырой в центре Галактики.
Исследование проводит ревизию этого мини-каталога из 21 аномальной звезды с использованием данных нового инструмента — космического телескопа «Гайя». Обсерватория Гайя находится на расстоянии полтора миллиона километров от Земли в точке Лагранжа L2 и специализируется на астрометрии, то есть измерении скоростей и положений двух миллиардов объектов. В эти месяцы она заканчивает научные наблюдения и вскоре будет деактивирована и отправлена на орбиту вокруг Солнца, но массив её научных данных будут изучать ещё многие годы.
Данные «Гайи» помогли установить, что около половины несвязанных сверхскоростных звёзд летят скорее не из центра Галактики, но именно со стороны Большого Магелланова Облака. Ключевой момент в гипотезе о происхождении части звёзд из БМО — их кластеризация. А именно, есть некоторый регион на небесной сфере, в котором плотность этих звёзд явно повышена по сравнению с окружением. Этот участок на небе находится около созвездия Льва. Астрономы построили модель на основании движения искусственно сгенерированных звёзд, которые могла бы выбросить сверхмассивная чёрная дыра в Магеллановом облаке.
Выброс звезды за счёт гравитационного взаимодействия со сверхмассивным объектом (чёрной дырой в центре какой-либо галактики) происходит по механизму Хиллса. Для этого звезда должна находится в двойной звёздной системе, а сама система — вращаться не очень далеко от чёрной дыры. Кроме того, имеет значение масса звёзд и сила приливного взаимодействия в паре — тогда одна звезда может сообщить существенный импульс своей паре. На выходе при моделировании реального взаимодействия по этому механизму мы получаем вероятности выброса, а также возможное распределение скоростей для отдельных звёзд.
Для выброшенных звёзд движение по их орбитам проинтегрировали на 400 миллионов лет вперёд. Такой численный эксперимент позволил уточнить точки на небе, в которых мы могли бы их наблюдать сегодня, долетев они до нашей Галактики. Далее, математическая обработка предполагает выбор из этой популяции в соответствии с ограничениями наблюдений за реальными гиперскоростными звёздами. Простыми словами, в математической модели мы олжны имитировать работу реальных космических телескопов и оставить только те звёзды из популяции, которые они могут обнаружить и сделать вывод об их сверхвысокой скорости.
Главный вывод математического моделирования: та самая компактная «сверхпопуляция» в созвездии Льва объясняется тем, что составляющие её звёзды действительно могли прилететь из соседней карликовой галактики. Разумеется, при таком моделировании нужно учитывать собственное вращение галактики («галактический год» продолжается около 220 миллионов лет), и участок с «аномалией Льва» на небесной сфере как раз представляет ту точку выброса, в которой звёзды из Магелланова облака окажутся, долетев до нас и оказавшись в видимости наших приборов.
Для появления сверхскоростных звёзд могут быть и другие причины. Это может быть взрыв Сверхновой, или некоторое динамическое гравитационное взаимодействие в сложных системах. Авторы утверждают, что эти механизмы не могут удовлетворительно объяснить результат в виде наблюдаемой кластеризации звёзд из БМО, но правдоподобное объяснение — сверхмассивная чёрная дыра с массой порядка 600 000 масс Солнца в центре этой галактики.
Если гипотеза найдёт более уверенные подтверждения, это может иметь последствия для понимания структуры и эволюции галактик. На сегодня считается, что почти все крупные галактики имеют сверхмассивную чёрную дыру в центре, но карликовые галактики — скорее нет, чем да. Есть некоторые свидетельства наличия чёрных дыр и в небольших галактиках, но в карликовой галактике-спутнике типа того же БМО масса такой дыры была бы соответственно не очень большой. Собственно, её бы не сочли сверхмассивной чёрной дырой, но это уже скорее зависит от определения (начиная с какой массы называем дыру сверхмассивной). Кроме того, в карликовых галактиках такие дыры сложнее обнаружить потому что они могут быть не столь активны в аккреции вещества, а созерцание аккреционных дисков на сегодня — самый популярный механизм наблюдения за ними.
Это исследование несколько смещает акценты. Во-первых, для получения сверхскоростных звёзд может быть недостаточно только чёрной дыры — играет роль и собственное движение галактики. Так, БМО — галактика-спутник Млечного Пути, и с какой скоростью её гипотетическая чёрная дыра ни выбрасывала звёзды, к ней ещё нужно добавить собственную скорость галактики по орбите. Во-вторых, исследование задаёт некоторые рамки для понимания механизмов роста и эволюции галактик. Если астрофизики не наблюдают массово чёрных дыр в маленьких галактиках, значит, или их нет, или для построения адекватной теории имеется существенный пробел в информации по наблюдениям.
Возможно, следующие выпуски данных «Гайи» (а их планируется ещё два до 2030 года) помогут найти больше гиперскоростных звёзд. Каждая такая найденная звезда — ещё одна точка в статистической выборке, а значит, возможность более надёжной верификации теорий в том числе галактической эволюции.
