[论文解读] MMT Hypervelocity Star Survey III: A Complete Survey of Faint B-type Stars in the Northern Milky Way Halo

Warren R. Brown, Margaret J. Geller+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 103被引用 62

一句话总结

本论文利用MMT望远镜完成了对银河系北部银晕中暗淡B型星的完整光谱调查，识别出三颗新的超高速星（HVSs），使已确认的HVS总数达到21颗。研究证实，这些HVSs为距离银河系中心50–120 kpc处的快速旋转主序B型星，其观测到的抛射速率为1.5×10⁻⁶ yr⁻¹，强烈支持HVS起源于中心黑洞的三体相互作用模型。

ABSTRACT

We describe our completed spectroscopic survey for unbound hypervelocity stars (HVSs) ejected from the Milky Way. Three new discoveries bring the total number of unbound HVSs to 21. We place new constraints on the nature of HVSs and on their distances using moderate resolution MMT spectroscopy. Half of the HVSs are fast rotators; they are certain 2.5-4 Msun main sequence stars at 50 - 120 kpc distances. Correcting for stellar lifetime, our survey implies that unbound 2.5-4 Msun stars are ejected from the Milky Way at a rate of 1.5e-6 /yr. The observed HVSs are likely ejected continuously over the past 200 Myr and do not share a common flight time. The anisotropic spatial distribution of HVSs on the sky remains puzzling. Southern hemisphere surveys like SkyMapper will soon allow us to map the all-sky distribution of HVSs. Future proper motion measurements with Hubble Space Telescope and Gaia will provide strong constraints on origin. All existing observations are consistent with HVS ejections from encounters with the massive black hole in the Galactic center.

研究动机与目标

• 对银河系北部银晕中的暗淡B型星开展完整光谱调查，以识别未束缚的超高速星（HVSs）。
• 利用中等分辨率MMT光谱，测定HVSs的距离、运动学特性及物理属性。
• 通过分析飞行时间分布和自行预测，约束HVSs的抛射机制与起源。
• 基于观测到的HVS寿命和距离，估算未束缚2.5–4 M☉恒星的银河系抛射速率。

提出的方法

• 通过斯隆数字巡天（SDSS）测光的宽带颜色标准进行目标选择，排除消光较高（E(B-V) > 0.1 mag）及靠近M31的区域。
• 利用MMT望远镜进行光谱观测，测量径向速度、有效温度、表面重力及旋转速度。
• 通过恒星大气模型拟合，将恒星分类为主序B型星并确定其物理参数。
• 利用径向速度和距离估计进行飞行时间分析，推断抛射历史，并区分爆发式与连续抛射模型。
• 针对银心与银盘抛射情景，预测自行以指导未来哈勃空间望远镜与盖亚任务的约束。
• 通过校正恒星寿命并利用50–120 kpc距离处观测到的HVS数量，计算抛射速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系北部银晕中，未束缚超高速星（HVSs）的总数是多少？本次调查新发现了多少颗？
• RQ2 观测到的HVSs是否与距离银河系中心较远的主序B型星一致？其旋转特性对它们演化状态有何启示？
• RQ3 过去2亿年内，观测到的HVS种群最可能由连续抛射过程还是爆发式事件解释？
• RQ4 未来哈勃空间望远镜与盖亚任务的自行测量能否区分HVSs起源于银心还是银盘？
• RQ5 校正恒星寿命后，未束缚2.5–4 M☉恒星的推断抛射速率是多少？

主要发现

• 发现了三颗新的超高速星，使已确认的未束缚HVS总数达到21颗。
• 一半的HVS为快速旋转星，证实其为主序B型星，位于距离50–120 kpc处。
• 观测到的HVSs与过去2亿年中连续抛射一致，无共同飞行时间的证据。
• 校正后的未束缚2.5–4 M☉恒星抛射速率为1.5×10⁻⁶ yr⁻¹，支持中心黑洞参与的三体相互作用模型。
• HVSs的各向异性空间分布尚未得到解释，但未来如SkyMapper等全全天巡天将有助于绘制其完整分布。
• 所有现有观测均与HVSs起源于银河系中心大质量黑洞一致，而非银盘逃逸机制。