Zvijezde bjegunice već se od 1920-ih koriste kao važan alat u proučavanju strukture i dinamike Mliječne staze, uključujući njezin gravitacijski potencijal i raspodjelu tvari. Astronomi iz Kine sada su proveli pretraživanje velikog obujma kako bi identificirali takve objekte, oslanjajući se na posebnu skupinu zvijezda s izrazito pravilnim i predvidljivim pulsiranjem, zbog čega su pogodne kao pokazatelji udaljenosti.
U fizici, brzina oslobađanja planeta, zvijezde ili galaksije definira se kao minimalna brzina potrebna da masa, nakon napuštanja gravitacijskog polja objekta, bez dodatnog ubrzavanja trajno napusti taj sustav. Za Zemlju ta brzina iznosi 11,2 kilometra u sekundi (km/s). Tijelo koje napusti Zemljinu površinu tom početnom brzinom, bez dodatnog izvora energije, više se ne može gravitacijski vratiti.
Primjeri koji se često navode uključuju stijene izbačene sa Zemlje udarima velikih asteroida, što se povezuje i s hipotezama o razmjeni stijena između Zemlje i Marsa. U literaturi se spominje i mogućnost da je čelični poklopac koji je zatvarao otvor pri podzemnoj nuklearnoj eksploziji 1957. godine u Nevadi mogao biti izbačen u svemir, osim ako nije ispario tijekom uspona, pri procijenjenoj brzini oko šest puta većoj od Zemljine brzine oslobađanja.
Brzina oslobađanja i ekstremna gibanja zvijezda
Brzina oslobađanja sa Sunca iznosi 618 km/s, dok je s položaja Zemlje potrebna znatno manja brzina, oko 42 km/s. U odnosu na položaj Sunca unutar Mliječne staze, brzina potrebna za napuštanje galaktičkog gravitacijskog polja iznosi približno 550 km/s. Zvijezde bjegunice koje dosegnu ili premaše te vrijednosti predstavljaju ekstremni slučaj i nazivaju se superbrzim zvijezdama.
Superbrze zvijezde imaju brzine reda tisuću kilometara u sekundi ili veće, zbog čega su gravitacijski nevezane za Mliječnu stazu i mogu trajno napustiti galaksiju. Njihovo postojanje ima posebno značenje jer omogućuje izravno ispitivanje gravitacijskog potencijala galaktičkog haloa, uključujući raspodjelu tamne tvari.
Jedan od najvažnijih mehanizama koji dovodi do nastanka superbrzih zvijezda povezan je s gravitacijskim interakcijama u blizini supermasivne crne rupe Sagittarius A* u središtu Mliječne staze. Tijekom takvih susreta zvijezde mogu dobiti dovoljno energije da budu izbačene iz galaktičkog središta ekstremnim brzinama. Taj je proces poznat kao Hillsov mehanizam, koji je 1988. godine predložio astronom Jack Hills.
U okviru tog mehanizma, binarni zvjezdani sustav koji se približi crnoj rupi biva razoren. Jedna zvijezda ostaje zarobljena u blizini crne rupe, dok je druga izbačena velikom brzinom. Takav je objekt prvi put opažen 2019. godine, kada je zabilježena zvijezda koja se udaljavala od središta Mliječne staze brzinom od 1.755 km/s, što odgovara oko 0,6% brzine svjetlosti i premašuje brzinu oslobađanja iz galaktičkog središta.
Zvijezde bjegunice kao sonde galaktičkog haloa
Praćenjem putanja zvijezda bjegunica unatrag u vremenu, znanstvenici mogu rekonstruirati gravitacijski potencijal Mliječne staze i način na koji je masa raspoređena unutar galaksije. To uključuje i halo, golemo približno sferno područje koje okružuje galaktički disk i u kojem se nalazi velik dio tamne tvari.
S tim ciljem, troje astronoma iz znanstvenih institucija u Pekingu, predvođeni glavnim autorom Haozhuom Fuom sa Sveučilišta Peking, započeli su sustavnu potragu za zvijezdama bjegunicama koristeći RR Lyrae zvijezde kao početni uzorak. Riječ je o starim, evolucijski zrelim zvijezdama koje pulsiraju s periodima između 0,2 i jednog dana. Nalaze se u debelom disku i halou Mliječne staze, a česte su i u kuglastim skupovima.
Mliječna staza sadrži više od 150 kuglastih skupova, pri čemu je oko trećine raspoređeno u gotovo sfernom halou oko galaktičkog središta. Unutarnja svjetlina RR Lyrae zvijezda dobro je poznata zahvaljujući vezi između perioda pulsiranja, apsolutne magnitude i metalnosti. Metalnost pritom označava udio elemenata težih od vodika i helija.
Poznavanjem apsolutne svjetline zvijezde i njezina izmjerenog sjaja na Zemlji, udaljenost se može odrediti primjenom zakona inverznog kvadrata udaljenosti. U analizi su se autori oslonili na dva velika zvjezdana kataloga. Prvi je obuhvaćao 8.172 RR Lyrae zvijezde iz kataloga SDSS-a (Sloan Digital Sky Survey), dok je prošireni katalog sadržavao 135.873 RR Lyrae zvijezda s procijenjenom metalnošću i udaljenosti temeljenima na fotometrijskim mjerenjima satelita Gaia, koji je Europska svemirska agencija lansirala 2013. godine.
Kako bi izdvojili kandidate za zvijezde bjegunice s ekstremnim brzinama, istraživači su eliminirali većinu objekata koji nisu imali pouzdana spektroskopska mjerenja radijalnih brzina s dovoljno malim nesigurnostima. Time je početni skup podataka sužen na 165 kandidata.
Daljnjom analizom svjetlosnih krivulja i Dopplerovih pomaka, odabrano je 87 zvijezda koje su identificirane kao najpouzdaniji primjeri zvijezda bjegunica, pri čemu je sedam njih imalo tangencijalne brzine veće od 800 km/s. Prostorna raspodjela tih zvijezda pokazala je dvije skupine, jednu koncentriranu prema galaktičkom središtu i drugu povezanu s područjem Velikog i Malog Magellanova oblaka, dviju nepravilnih patuljastih galaksija u blizini Mliječne staze.
Takav raspored upućuje na to da su neke od tih zvijezda bjegunica dosegnule ekstremne brzine kroz Hillsov mehanizam ili slične gravitacijske procese. Mnoge od njih pokazuju gibanja koja premašuju brzinu oslobađanja iz Mliječne staze, zbog čega se ubrajaju među superbrze zvijezde.
Autori zaključuju da će buduća opažanja satelita Gaia, zajedno s dodatnim spektroskopskim analizama, omogućiti preciznije određivanje podrijetla tih izbacivanja. Sustavno proučavanje zvijezda bjegunica, a osobito njihovog superbrzog podskupa, otvara put detaljnijem istraživanju strukture galaktičkog haloa i raspodjele tamne tvari, koja i dalje ostaje jedno od ključnih otvorenih pitanja moderne fizike.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
