Выпуски

 / 

2021

 / 

Октябрь

  

Обзоры актуальных проблем


Сверхскоростные звёзды: теория и наблюдения

  а,   б, §  б
а Институт астрономии РАН, ул. Пятницкая 48, Москва, 119017, Российская Федерация
б Российский федеральный ядерный центр «Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. Е.Н. Забабахина (ВНИИТФ)», Снежинск, Челябинской обл., Российская Федерация

Кинематическая особенность объектов микромира (элементарных частиц) — релятивистские скорости — сегодня является предметом научных дискуссий в плане её приемлемости для объектов макромира: звёзд, планет, астероидов, а также белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр звёздных масс. Осознание такой возможности связано с открытием Уорреном Брауном в начале XXI века сверхскоростных звёзд (СЗ), которые были предсказаны Джеком Хиллзом в 1988 г. в рамках сценария динамического захвата двойной звезды центральной сверхмассивной чёрной дырой (СМЧД). Механизм ускорения, обусловленный обменом импульса в классической задаче трёх тел, создаёт кинетический ресурс для образования СЗ путём гравитационного захвата оставшегося компаньона. Сегодня наблюдаемый порог кинематической звёздной аномальности превышает 1 700 км с−1 и воспроизводится в ряде сценариев, альтернативных сценарию Хиллза. СЗ могут генерироваться в ходе столкновительной эволюции звёздных скоплений, в результате взрывов сверхновых в тесных двойных звёздах, вследствие орбитальной нестабильности тройных систем, в процессах захвата звёзд из других галактик и т.д. Наиболее перспективными в реализации аномально высоких скоростей остаются сценарии при участии чёрных дыр, массы которых варьируются от звёздных до нескольких миллиардов солнечных масс. Cценарий Хиллза занимает особое место в изучении природы СЗ, так как, построенный на идее случайного захвата двойной звезды окрестностью СМЧД, он не касается проблемы заселённости галактического центра. В этом сценарии прогнозируются согласованные статистики СЗ и захваченных звёзд, возможно, отождествляемых с S-звёздами. Открытие S-звёзд сыграло значительную роль в изучении центральной области Галактики, из анализа динамики которых независимым способом были получены неоспоримые доказательства существования СМЧД. Данный обзор кратко затрагивает историю открытия и изучения СЗ и S-звёзд, даёт представление о наблюдательных статистиках этих объектов, а также описывает методы их моделирования в постановках классической задачи трёх тел и задачи N-тел. Изучаются пределы эффективного ускорения звёзд в классическом сценарии Хиллза и модифицированном, в котором допускается замена одного из компонентов двойной звезды на ещё одну СМЧД. Ускорение, продуцируемое в перекрёстном поле двух СМЧД, оказывается эффективным для генерации звёзд с релятивистскими скоростями (1/2~c — 2/3~c). Обсуждаются условия выживания таких звёзд в области экстремальных градиентов гравитационных полей в зависимости от перицентрического сближения с центральной СМЧД и её массы. В рамках вероятностной самосогласованной модели, унифицированной на основе классического и модифицированного сценариев Хиллза, прогнозируются вероятности образования СЗ в Галактике и звёзд с релятивистскими скоростями за её пределами. В обзоре обсуждаются перспективы поиска звёзд и астероидов с релятивистскими скоростями в рамках ближайших космических миссий и получения новых знаний о Вселенной.

Текст: pdf
Войдите или зарегистрируйтесь чтобы получить доступ к полным текстам статей.
Ключевые слова: кинематическая аномальность, динамический захват, сценарий Хиллза, S-звёзды, сверхскоростные звёзды, звёзды с релятивистскими скоростями, сверхмассивная чёрная дыра, галактики
PACS: 95.10.−a, 97.10.Wn, 98.62.Js (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2020.11.038892
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2021/10/a/
Цитата: Тутуков А В, Дремова Г Н, Дремов В В "Сверхскоростные звёзды: теория и наблюдения" УФН 191 1017–1043 (2021)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 28 июля 2020, доработана: 19 ноября 2020, 30 ноября 2020

English citation: Tutukov A V, Dryomova G N, Dremov V V “Hypervelocity stars: theory and observationsPhys. Usp. 64 (10) (2021); DOI: 10.3367/UFNe.2020.11.038892

Список литературы (142) ↓ Похожие статьи (19)

  1. Curtis H D Bull. Natl. Res. Council 2 171 (1921)
  2. Shapley H Bull. Natl. Res. Council 2 194 (1921)
  3. Kapteyn J C, Kapteyn W Publ. Kapteyn Astron. Lab. Groningen 5 1 - 87 (1900)
  4. Lindblad B Arkiv Mat. Astron. Fys. 23A (18) 12 (1933)
  5. Oort J H Bull. Astron. Inst. Netherlands 4 269 (1928)
  6. Baade W Sci. Am. 195 (3) 92 (1956)
  7. Zwicky F Morphological Astronomy (Berlin: Springer, 1957)
  8. Peri C S et al Rev. Mexicana Astron. Astrofis. Conf. 40 156 (2011)
  9. Cordes J M, Romani R W, Lundgren S C Nature 362 133 (1993)
  10. Lacy J H, Achtermann J M, Serabyn E Astrophys. J. Lett. 380 L71 (1991)
  11. McGinn M T et al Infrared Spectroscopy in Astronomy. Proc. of the 22nd Eslab Symp., Salamanca, Spain, 7 - 9 December 1988 (European Space Agency Special Publ.) Vol. 290 (Ed. B H Kaldeich) (Paris: European Space Agency, 1989) p. 421
  12. Eckart A, Genzel R Nature 383 415 (1996)
  13. Hills J G Nature 331 687 (1988)
  14. Schödel R et al Astrophys. J. 596 1015 (2003)
  15. Brown W et al Astrophys. J. 622 L33 (2005)
  16. Gualandris A, Zwart S P, Sipior M S Mon. Not. R. Astron. Soc. 363 223 (2005)
  17. Bromley B C et al Astrophys. J. 653 1194 (2006)
  18. Baumgardt H, Gualandris A, Zwart S P Mon. Not. R. Astron. Soc. 372 174 (2006)
  19. O'Leary R M, Loeb A Mon. Not. R. Astron. Soc. 383 86 (2008)
  20. Sherwin B D, Loeb B, O'Leary R M Mon. Not. R. Astron. Soc. 386 1179 (2008)
  21. Kenyon S J et al Astrophys. J. 680 312 (2008)
  22. Abadi M G, Navarro J F, Steinmetz M Astrophys. J. 691 L63 (2009)
  23. Zubovas K, Wynn G A, Gualandris A Astrophys. J. 771 118 (2013)
  24. Šubr L, Haas J Astrophys. J. 786 121 (2014)
  25. Capuzzo-Dolcetta R, Fragione G Mon. Not. R. Astron. Soc. 454 2677 (2015)
  26. Дремова Г Н, Дремов В В, Тутуков А В Астрон. журн. 91 353 (2014); Dremova G N, Dremov V V, Tutukov A V Astron. Rep. 58 291 (2014)
  27. Wu X et al Mon. Not. R. Astron. Soc. 386 2199 (2008)
  28. Miralda-Escudé J, Gould A Astrophys. J. 545 847 (2000)
  29. Sesana A, Haardt F, Madau P Astrophys. J. 660 546 (2007)
  30. Chandrasekhar S Astrophys. J. 97 255 (1943)
  31. Gillessen S Intern. Workshop Modest-13, Star Clusters Across Cosmic Time, Almaty, Kazakhstan, August 19 - 23, 2013. Abstracts (Almaty: Fesenkov Astrophysical Institute, 2013) p. 23; http://aphi.kz/wp-content/uploads/2015/07/MODEST-13-Booklet.pdf
  32. Ghez A M et al Astrophys. J. 620 744 (2005)
  33. Eisenhauer F et al Astrophys. J. 628 246 (2005)
  34. Gillessen S et al Astrophys. J. 837 30 (2017)
  35. Boubert D et al Mon. Not. R. Astron. Soc. 479 2789 (2018)
  36. Brown W R et al Astrophys. J. 866 39 (2018)
  37. Brown W, Geller M J, Kenyon S J Astrophys. J. 787 89 (2014)
  38. Capuzzo-Dolcetta R, Fragione G Mon. Not. R. Astron. Soc. 454 2677 (2015)
  39. Marchetti T et al Mon. Not. R. Astron. Soc. 470 1388 (2017)
  40. Koposov S E et al Mon. Not. R. Astron. Soc. 491 2465 (2020)
  41. Guillochon J, Loeb A Astrophys. J. 806 124 (2015)
  42. Дремова Г Н, Дремов В В, Тутуков А В Астрон. журн. 94 580 (2017); Dremova G N, Dremov V V, Tutukov A V Astron. Rep. 61 573 (2017)
  43. Schödel R et al Nature 419 694 (2002)
  44. Ren J et al Mon. Not. R. Astron. Soc. 499 3399 (2020)
  45. Дремова Г Н, Дремов В В, Тутуков А В Астрон. журн. 95 867 (2018); Dryomova G N, Dryomov V V, Tutukov A V Astron. Rep. 62 971 (2018)
  46. Blaauw A Bull. Astron. Inst. Netherlands 15 265 (1961)
  47. Poveda A, Ruiz J, Allen C Boletin Observ. Tonantzintla Tacubaya 4 86 (1967)
  48. Napiwotzki R, Silva D V Memorie Soc. Astron. Italiana 83 272 (2012); Napiwotzki R, Silva D V arXiv:1109.4116
  49. Heber E et al Astron. Astrophys. 483 L21 (2008)
  50. Lynden-Bell D, Rees M J Mon. Not. R. Astron. Soc. 152 461 (1971)
  51. Kilic M et al Mon. Not. R. Astron. Soc. 434 3582 (2013)
  52. Тутуков А В, Федорова А В Астрон. журн. 86 902 (2009); Tutukov A V, Fedorova A V Astron. Rep. 53 839 (2009)
  53. Bardeen J M, Press W H, Teukolsky S A Astrophys. J. 178 347 (1972)
  54. Yu Q, Tremaine S Astrophys. J. 599 1129 (2003)
  55. Дремова Г Н и др Астрон. журн. 92 907 (2015); Dremova G N Astron. Rep. 59 1019 (2015)
  56. Verlet L, Weis J-J Phys. Rev. A 5 939 (1972)
  57. Fellhauer M et al Astrophys. J. 651 167 (2006)
  58. Carter B, Luminet J P Mon. Not. R. Astron. Soc. 212 23 (1985)
  59. Lynden-Bell D Nature 223 690 (1969)
  60. Докучаев В И, Озерной Л М Письма в Астрон. журн. 3 391 (1977); Dokuchaev V I, Ozernoi L M Sov. Astron. Lett. 3 209 (1977)
  61. Miles P, Coughlin E, Nixon C Astrophys. J. 899 36 (2020)
  62. Mainetti D et al Astron. Astrophys. 600 A124 (2017)
  63. Ivanov P B, Novikov I D Astrophys. J. 549 467 (2001)
  64. Guillochon J, Ramirez-Ruiz E Astrophys. J. 767 25 (2013)
  65. Dryomova G, Dryomov V, Tutukov A Baltic Astron. 24 1 (2015)
  66. Дремова Г Н, Дремов В В, Тутуков А В Астрон. журн. 93 685 (2016); Dremova G N, Dremov V V, Tutukov A V Astron. Rep. 60 695 (2016)
  67. Sofue Y, Rubin V Annu. Rev. Astron. Astrophys. 39 137 (2001)
  68. Дремова Г Н, Дремов В В, Тутуков А В Астрон. журн. 96 866 (2019); Dremova G N, Dremov V V, Tutukov A V Astron. Rep. 63 862 (2019)
  69. Loose H H, Krügel E, Tutukov A Astron. Astrophys. 105 342 (1982)
  70. Fragione G, Capuzzo-Dolcetta R, Kroupa P Mon. Not. R. Astron. Soc. 467 451 (2017)
  71. Shipp N et al (DES Collab.) Am. Astron. Soc. AAS Meeting (231) 212.05 (2018)
  72. Iben I (Jr.), Tutukov A V Astrophys. J. 284 719 (1984)
  73. Popova E I, Tutukov A V, Yungelson L R Astrophys. Space Sci. 88 55 (1982)
  74. Свечников М А и др Научные информации 67 15 (1989)
  75. Duquennoy A, Mayor M Astron. Astrophys. 248 485 (1991)
  76. Kobulnicky H, Fryer C Astron. Astrophys. 670 747 (2007)
  77. Крайчева З Т и др Астрон. журн. 55 1176 (1978); Kraicheva Z T et al Sov. Astron. 22 670 (1978)
  78. Scalo J M Protostars and Planets II (Eds D C Black, M S Matthews) (Tucson, AZ: Univ. Arizona Press, 1985) p. 201
  79. Свечников М А Исследование эффектов взаимодействия в тесных двойных системах с нерелятивистскими компонентами (Таллин: Валгус, 1990) с. 26
  80. Salpeter E E Astrophys. J. 121 161 (1955)
  81. Kroupa P Mon. Not. R. Astron. Soc. 322 231 (2001)
  82. Perets H B Astrophys. J. 690 795 (2009)
  83. Aharon D, Battistu A M, Perets H B Astrophys. J. 823 137 (2016)
  84. Lacy J et al Astrophys. J. 241 132 (1980)
  85. Фридман А М, Янченко С Г Астрон. журн. 86 1043 (2009); Fridman A M, Yanchenko S G Astron. Rep. 53 969 (2009)
  86. Plewa P et al Mon. Not. R. Astron. Soc. 453 3234 (2015)
  87. Chatzopoulos S et al Mon. Not. R. Astron. Soc. 447 948 (2015)
  88. Gillessen S et al The Messenger (120) 26 (2005)
  89. Gillessen S et al Astrophys. J. 692 1075 (2009)
  90. Ghez A M et al Astrophys. J. 689 1044 (2008)
  91. Abuter R et al (GRAVITY Collab.) Astron. Astrophys. 615 L15 (2018)
  92. Peißker F, Eckart A, Parsa M Astrophys. J. 889 61 (2020)
  93. Parsa M et al Astrophys. J. 845 22 (2017)
  94. Bambi C Phys. Rev. D 83 103003 (2011)
  95. Akiyama K et al (The Event Horizon Telescope Collab.) Astrophys. J. Lett. 875 L1 (2019)
  96. Amorim A et al (GRAVITY Collab.) Phys. Rev. Lett. 122 101102 (2019)
  97. Balick B, Brown R L Astrophys. J. 194 265 (1974)
  98. Abuter R et al (The GRAVITY Collab.) Astron. Astrophys. 625 L10 (2019)
  99. Gillessen S et al Astrophys. J. 871 126 (2019)
  100. Bower G C et al Astrophys. J. 588 331 (2003)
  101. Baganoff F K et al Astrophys. J. 591 891 (2003)
  102. Falcke H et al Astrophys. J. 499 731 (1998)
  103. von Fellenberg S D et al Astrophys. J. 862 129 (2018)
  104. Gunn J E et al Astron. J. 131 2332 (2006)
  105. Yanny B et al Astrophys. J. 540 825 (2000)
  106. Fukugita M et al Astrophys. J. 111 174 (1996)
  107. Brown W R et al Astrophys. J. 647 303 (2006)
  108. Yanny B et al Astrophys. J. 137 4377 (2009)
  109. Palladino L E et al Astrophys. J. 780 7 (2014)
  110. Li Y-B et al Res. Astron. Astrophys. 15 1364 (2015)
  111. Cui X-Q et al Res. Astron. Astrophys. 12 1197 (2012)
  112. Munn J A et al Astron. J. 136 895 (2008)
  113. Aihara H et al Astrophys. J. Suppl. 193 29 (2011)
  114. Castelli F, Kurucz R L astro-ph/0405087
  115. Brown W R, Geller M J, Kenyon S J Astrophys. J. 751 55 (2012)
  116. Lu Y, Zhang F, Yu Q Astrophys. J. 709 1356 (2010)
  117. Arenou F et al Astron. Astrophys. 599 A50 (2017)
  118. Luri X et al Astron. Astrophys. 616 A9 (2018)
  119. Katz D et al (Gaia Collab.) Astron. Astrophys. 616 A11 (2018)
  120. Antoja T et al Nature 561 360 (2018)
  121. Bovy J Astrophys. J. Suppl. 216 29 (2015)
  122. Marchetti T, Rossi E M, Brown A G A Mon. Not. R. Astron. Soc. 490 157 (2019)
  123. Hirsch H A et al Astron. Astrophys. 444 L61 (2005)
  124. Justham S et al Astron. Astrophys. 493 1081 (2009)
  125. Geier S et al Science 347 1126 (2015)
  126. Vennes S et al Science 357 680 (2017)
  127. Raddi R et al Mon. Not. R. Astron. Soc. 479 L96 (2018)
  128. Edelmann H et al Astrophys. J. 634 L181 (2005)
  129. Abbott B P et al (LIGO Scientific Collab. and Virgo Collab.) Phys. Rev. Lett. 116 131102 (2016)
  130. Barrabès C, Hogan P A Class. Quantum Grav. 21 405 (2003)
  131. Rice M, Laughlin G Astrophys. J. Lett. 884 L22 (2019)
  132. Guzik P et al Nat. Astron. 4 53 (2020)
  133. Clanton C, Gaudi B S Astrophys. J. 834 46 (2017)
  134. Burgasser A et al Protostars and Planets V (Eds B Reipurth, D Jewitt, K Keil) (Tucson, AZ: Univ. Arizona Press, 2007) p. 951
  135. NASA. James Webb Space Telescope, https://www.jwst.nasa.gov
  136. Euclid Consortium, https://www.euclid-ec.org/
  137. NASA. Nancy Grace Roman Space Telescope, https://roman.gsfc.nasa.gov/about.html
  138. Giant Magellan Telescope, https://www.gmto.org/
  139. Thirty Meter Telescope International Observatory, https://www.tmt.org
  140. European Southern Observatory. Extremely large telescopes, https://www.eso.org/public/teles-instr/elt
  141. Siraj A, Loeb A Astrophys. J. Lett. 872 L10 (2019); Siraj A, Loeb A arXiv:1906.03270
  142. Siraj A, Loeb A Acta Astronautica 173 53 (2020)

© Успехи физических наук, 1918–2021
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение