[论文解读] LMC origin of the hyper-velocity star HE 0437-5439. Beyond the supermassive black hole paradigm

N. Przybilla, M. F. Nieva+5 more|ArXiv.org|Jan 29, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 22被引用 35

一句话总结

这篇论文通过展示HE 0437-5439的元素丰度模式与大麦哲伦星系（LMC）一致而非银河系中心，挑战了超大质量黑洞（SMBH）喷射高速星（HVS）的理论。利用高分辨率非局部热动平衡（non-LTE）光谱分析，该研究排除了其起源于银河系中心的可能性，原因在于金属量和α元素的不匹配；同时，由于寿命限制，也否定了其起源于银河系盘面的可能性。结果表明，其起源更可能为大麦哲伦星系中致密星团的引力动力学喷射机制。

ABSTRACT

Context: Hyper-velocity stars move so fast that only a supermassive black hole (SMBH) seems to be capable to accelerate them. Hence the Galactic centre (GC) is their only suggested place of origin. Edelmann et al. (2005) found the early B-star HE0437-5439 to be too short-lived to have reached its current position in the Galactic halo if ejected from the GC, except if being a blue straggler. Its proximity to the LMC suggested an origin from this galaxy. Aims: The chemical signatures of stars at the GC are significantly different from those in the LMC. Hence, an accurate measurement of the abundance pattern of HE0437-5439 will yield a new tight constraint on the place of birth of this star. Methods: High-resolution spectra obtained with UVES on the VLT are analysed using state-of-the-art non-LTE modelling techniques. Results: We measured abundances of individual elements to very high accuracy in HE0437-5439 as well as in two reference stars, from the LMC and the solar neighbourhood. The abundance pattern is not consistent at all with that observed in stars near the GC, ruling our an origin from the GC. However, there is a high degree of consistency with the LMC abundance pattern. Our abundance results cannot rule out an origin in the outskirts of the Galactic disk. However, we find the life time of HE0437-5439 to be more than 3 times shorter than the time of flight to the edge of the disk, rendering a Galactic origin unlikely. Conclusions: Only one SMBH is known to be present in Galaxy and none in the LMC. Hence the exclusion of an GC origin challenges the SMBH paradigm. We conclude that there must be other mechanism(s) to accelerate stars to hyper-velocity speed than the SMBH. We draw attention to dynamical ejection from dense massive clusters, that has recently been proposed by Gvaramadze et al. (2008).

研究动机与目标

• 通过分析元素丰度模式，确定高速星HE 0437-5439的真实起源。
• 检验该星是否可能起源于银河系中心（GC），考虑到其高速度和主序星寿命较短。
• 评估其起源于大麦哲伦星系（LMC）的替代假设，该星系更近且在化学上与GC截然不同。
• 评估该星是否更可能为银河系盘面中形成的蓝离散星，从而解决年龄-速度矛盾。
• 识别超越SMBH弹弓模型的可行喷射机制，特别是致密星团中的动力学喷射。

提出的方法

• 在甚大望远镜（VLT）上利用UVES获取了HE 0437-5439的高分辨率、高信噪比光谱，总积分时间约为4小时。
• 采用基于吸收线加权模型大气的先进非局部热动平衡（non-LTE）建模技术进行光谱分析。
• 利用详细的非局部热动平衡计算更新的原子数据，对H、He、C、N及其他元素的丰度进行测定。
• 将结果与两个参考星进行比较：一个来自大麦哲伦星系（NGC 2004-D15），一个来自太阳邻近区（HR 3468），以锚定丰度基准。
• 通过运动学建模估算从大麦哲伦星系出发的所需喷射速度和飞行时间，考虑大麦哲伦星系的自行运动。
• 评估了来自大质量星团和中等质量黑洞的动力学喷射理论模型作为替代喷射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 HE 0437-5439的化学元素丰度模式是否与银河系中心的恒星一致？还是更符合大麦哲伦星系的特征？
• RQ2 考虑到其主序星寿命，HE 0437-5439的观测速度和当前位置是否能与银河系中心起源相容？
• RQ3 该星更可能起源于银河系盘面作为蓝离散星吗？其寿命是否支持这一情景？
• RQ4 观测到的丰度模式是否排除了超大质量黑洞喷射机制？如果是，哪些替代喷射机制是可行的？
• RQ5 大麦哲伦星系中致密大质量星团的动力学喷射是否能解释该星的超高速运动？

主要发现

• HE 0437-5439的丰度模式未表现出高金属量或α元素增强的特征，而这些是银河系中心附近恒星的典型标志，因此可排除其起源于银河系中心的可能性。
• 该星的丰度模式与大麦哲伦星系参考星NGC 2004-D15高度一致，表明其极有可能起源于大麦哲伦星系。
• HE 0437-5439的主序星寿命估计小于35 Myr，不足从银河系中心到达当前位置所需时间的三分之一。
• 通过双星合并形成蓝离散星的银河系盘面起源被排除，因为两颗约5 M☉恒星的合并将产生寿命与飞行时间相近的蓝离散星，这在物理上不可行。
• 为使该星从大麦哲伦星系抵达当前位置，所需喷射速度约为1000 km s⁻¹，与来自致密星团的动力学喷射机制一致。
• 大麦哲伦星系中不存在已知的超大质量黑洞，因此SMBH弹弓机制被排除，表明必须依赖其他喷射机制，如大质量星团中的动力学相互作用。