恒星碰撞会产生奇怪的、类似僵尸的幸存者

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很年轻。但与人类不同的是，人类可能会从新一轮的胶原蛋白注射中恢复活力，这些明星看起来很年轻，原因要黑暗得多。

他们吃掉了他们的邻居。

这只是西北大学新研究中更奇特的发现之一。使用一种新模型，天体物理学家追踪了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*）运行的暴力旅程。

如此密集的恒星，该地区通常会经历残酷的恒星碰撞。通过模拟这些强烈碰撞的影响，这项新研究发现，碰撞幸存者可以失去质量，成为精简的低质量恒星，或者可以与其他恒星合并，变得质量大，外观恢复活力。

“中心黑洞周围的区域密集，恒星以极高的速度移动，”领导这项研究的西北大学的Sanaea C. Rose说。“这有点像在高峰时段穿过纽约市一个非常拥挤的地铁站。如果你没有撞到其他人，那么你就非常接近他们。对于恒星来说，这些近距离碰撞仍然会导致它们在引力作用下相互作用。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。

罗斯今天（4月4日）在加利福尼亚州萨克拉门托举行的美国物理学会（APS）4月会议上介绍了这项研究。“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与研究中心（CIERA）的林德海默博士后研究员。她作为加州大学洛杉矶分校的博士候选人开始了这项工作，在那里她得到了天体物理学家和前西北大学博士后研究员 Smadar Naoz 的建议。

注定要碰撞

我们银河系的中心是一个奇怪而狂野的地方。Sgr A*的引力加速恒星以可怕的速度绕着它们的轨道旋转。挤在银河系中心的恒星数量超过一百万。密集的集群加上闪电般的速度，相当于一场高速爆破德比。在黑洞最内层的区域——距离黑洞0.1秒差距以内——很少有恒星毫发无损地逃脱。

“离我们太阳最近的恒星大约在四光年之外，”罗斯解释说。“在超大质量黑洞附近的相同距离内，有超过一百万颗恒星。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的引力。当它们绕黑洞运行时，恒星可以以每秒数千公里的速度移动。

在这个紧凑而繁忙的社区中，恒星可以与其他恒星相撞。恒星离超大质量黑洞越近，碰撞的可能性就越大。出于对这些碰撞结果的好奇，罗斯和她的合作者开发了一种模拟来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、重力和与Sgr 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。

几位明星赢得了碰撞彩票。虽然它们是由老年人群组成的，但它们伪装成恢复活力、看起来很年轻的明星。

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，不断相互碰撞。这很少是正面碰撞，更像是罗斯所描述的“暴力击掌”。撞击力不足以完全粉碎恒星。取而代之的是，它们脱落了外层，继续沿着碰撞路线加速。

“他们互相撞击并继续前进，”罗斯说。“他们只是互相吃草，就好像他们在交换一个非常暴力的击掌一样。这导致恒星喷射出一些物质并失去它们的外层。根据它们移动的速度以及碰撞时重叠的程度，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，而不是数千公里。由于速度较慢，这些恒星相互碰撞，但没有足够的能量来逃逸。相反，它们合并以变得更大。在某些情况下，它们甚至可能合并多次，成为比太阳大10倍的质量。

“一些明星赢得了碰撞彩票，”罗斯说。“通过碰撞和合并，这些恒星收集了更多的氢。虽然它们是由老年人群形成的，但它们伪装成恢复活力、看起来很年轻的明星。他们就像僵尸星星;他们吃掉他们的邻居。

但年轻的外表是以较短的预期寿命为代价的。

“他们死得很快，”罗斯说。“大质量恒星有点像巨大的、耗油的汽车。它们从大量的氢气开始，但它们燃烧得非常非常快。

“与众不同”的极端环境

尽管罗斯在研究银河系中心附近奇异的极端区域时找到了简单的乐趣，但她的工作也可以揭示有关银河系历史的信息。而且由于中心星团极难观测，她的团队的模拟可以照亮其他隐藏的过程。

“这是一个与众不同的环境，”罗斯说。“恒星在一个非常拥挤的区域受到超大质量黑洞的影响，与我们在太阳附近看到的任何东西都不一样。但是，如果我们能够了解这些恒星种群，那么我们也许能够了解银河系中心是如何组装的。至少，它肯定为我们居住的社区提供了一个对比点。

Rose 的 APS 演讲包括 2024 年 3 月发表在《天体物理学杂志快报》和 2023 年 9 月《天体物理学杂志》上的研究。

这项工作得到了美国国家科学基金会（资助号AST 2206428）和美国宇航局（资助号80NSSC20K050）以及Charles E. Young奖学金，加州大学洛杉矶分校论文年奖学金，Thacher奖学金，Bhaumik研究所和CIERA Lindheimer奖学金的支持。

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