[论文解读] Hypervelocity Stars in the Gaia era. Revisiting the most extreme stars from the MMT survey

S. Kreuzer, A. Irrgang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 88被引用 7

一句话总结

本研究利用盖亚DR2星历表、重新分析的径向速度以及光谱测距，对MMT HVS巡天中最具极端性的超高速星（HVSs）进行了重新分析，以确定其三维运动学特性与起源。结果表明，HVS 22的银河系静止参考系速度为1530⁺⁶⁹⁰₋₅₆₀ km s⁻¹，最可能通过希尔兹机制从银河系中心被弹射而出；而其他大多数HVSs则更可能起源于银河系盘面或其外缘，而非中心。

ABSTRACT

The hypervelocity star (HVS) survey conducted at the Multiple Mirror Telescope (MMT) identified 42 B-type stars in the Galactic halo whose radial velocity in the Galactic rest-frame exceeds $+275\,$km$\,$s${}^{-1}$. In order to unravel the nature and origin of those high-velocity outliers, their complete six-dimensional phase space information is needed. To this end, we complemented positions and proper motions from the second data release of {\it Gaia} with revised radial velocities and spectrophotometric distances that are based on a reanalysis of the available MMT spectra of 40 objects using state-of-the-art model spectra and a tailored analysis strategy. The resulting position and velocity vectors for 37 stars were then used as input for a subsequent kinematic investigation to obtain as complete a picture as possible. The combination of projected rotational velocity, position in the Kiel diagram, and kinematic properties suggests that all objects in the sample except two (B576, B598) are very likely to be main sequence stars. While the available data are still not precise enough to constrain the place of origin for 19 program stars, we identified eight objects that either come from the outer rim of the Galactic disk or not from the disk at all, along with ten that presumably stem from the Galactic disk. For almost all of those 18 targets with more or less well-constrained spatial origin, the Galactic center (GC) is disqualified as a possible place of origin. The most notable exception is B576, the origin of which coincides extremely well with the GC when assuming a blue horizontal branch (BHB) nature for it. HVS$\,$22 is by far the most extreme object in the sample. Although its origin is completely unconstrained, an ejection from the GC by the Hills mechanism is the most plausible explanation for its current Galactic rest-frame velocity of $1530^{+690}_{-560}\,$km$\,$s${}^{-1}$.

研究动机与目标

• 利用盖亚DR2星历表与重新分析的径向速度，确定MMT HVS巡天中40颗超高速星（HVSs）的三维相空间运动学特性。
• 结合投影旋转速度、基尔图中的位置以及运动学特性，对HVSs的演化状态进行分类。
• 利用完整的六维相空间信息，通过时间反向积分追踪其轨道，以约束每颗HVS的可能起源。
• 检验银河系中心是否为HVSs的可行起源，特别是考虑到希尔兹机制在理论上具备产生此类极端速度的潜力。
• 评估其他可能起源的合理性，包括银河系盘面以及星系外源（如大麦哲伦云）

提出的方法

• 将盖亚DR2的位置与自行数据，与利用先进模型大气重新分析MMT光谱后获得的修正径向速度相结合。
• 采用定制化的分析策略，为40颗HVSs计算光谱测距，以提高精度，优于以往估计。
• 为37颗恒星构建完整的六维相空间矢量（位置与速度），以支持向后轨道积分。
• 利用运动学建模与轨道积分，追踪HVSs的轨迹，并评估其可能的起源，包括银河系中心与银河系盘面。
• 根据投影旋转速度与在基尔图中的位置，将恒星分类为主序星、B型水平分支星（BHB）或其他类型。
• 通过将HVS 22的观测速度与超大质量黑洞弹射理论速度进行比较，评估希尔兹机制的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于修正的光谱与测光参数，MMT巡天中40颗HVSs的真实性质（主序星、BHB等）是什么？
• RQ2 HVSs的起源地是银河系盘面、其外缘，还是银河系中心？
• RQ3 银河系中心是否是极端HVSs（特别是具有创纪录速度的HVS 22）的可行起源？
• RQ4 希尔兹机制能否解释最极端HVSs的观测速度，尤其是在部分天体缺乏自行约束的情况下？
• RQ5 HVSs的运动学特性与双星超新星与动力学弹射机制的预测相比如何？

主要发现

• 除B576与B598外，所有HVSs均极有可能为主序星，依据其投影旋转速度与在基尔图中的位置。
• 对于19颗恒星，由于天体测量精度不足，其起源尚无法约束；但对于其余18颗恒星，其起源已得到合理约束。
• 八颗HVSs可能起源于银河系盘面外缘或盘面之外，而十颗与盘面起源一致。
• 银河系中心被排除为几乎所有HVSs的起源，仅B576例外；若B576为蓝水平分支星，则其与银河系中心的空间重合度极高。
• HVS 22的银河系静止参考系速度为1530⁺⁶⁹⁰₋₅₆₀ km s⁻¹，是最极端的天体，最可能通过希尔兹机制从银河系中心被弹射而出。
• 本研究证实，经典弹射机制（双星超新星、动力学弹射）无法解释超过约500 km s⁻¹的速度，进一步支持希尔兹机制对最极端HVSs的解释必要性。