新研究追蹤了生活在銀河系中央黑洞附近的恆星的命運。一些圍繞銀河系中央超大質量黑洞運行的恆星儘管年代久遠，但它們看起來卻年輕得令人難以置信。但與人類不同的是，人類可能會因為注射了新一輪膠原蛋白而顯得年輕，而這些恆星看起來年輕的原因則要黑暗得多：他們吃掉了鄰居。

這只是美國西北大學最新研究的奇特發現之一。天文物理學家利用一個新模型，追蹤了繞著銀河系中心超大質量黑洞人馬座A*（Sgr A*）運行的1000顆模擬恆星的暴力旅程。

由於恆星如此密集，該區域通常會經歷殘酷的恆星碰撞。透過模擬這些激烈碰撞的影響，這項新研究發現，碰撞的倖存者可能會失去質量，成為被剝離的低質量恆星，也可能與其他恆星合併，成為大質量恆星，並在外觀上重新煥發青春。

西北大學的Sanaea C. Rose 說：”中央黑洞周圍區域恆星密集，運動速度極快。這有點像在高峰時段穿過紐約市擁擠不堪的地鐵站。如果你沒有撞上其他人，那麼你就會與他們擦肩而過。

這張插圖顯示了非常靠近人馬座A* 的恆星的軌道，人馬座A* 是銀河系中心的一個超大質量黑洞。圖片來源：ESO / L. Calçada / Spaceengine.org

羅斯今天（4月4日）在加州薩克拉門托舉行的美國物理學會（APS）四月會議上介紹了這項研究。 “銀河中心的恆星碰撞”是”粒子天文物理學和銀河中心”會議的一部分。羅斯是西北大學天文物理學跨學科探索與研究中心（CIERA）的林德海默博士後研究員。她在加州大學洛杉磯分校攻讀博士學位時開始這項工作，天體物理學家、前西北大學博士後斯馬達爾-諾茲（Smadar Naoz）曾為她提供指導。

銀河系的中心是一個奇特而狂野的地方。 Sgr A*的引力加速恆星以可怕的速度繞著自己的軌道旋轉。擠在銀河中心的恆星數量多達一百萬顆。密集的星團加上快如閃電的速度，就像一場快速的拆除運動。在最內層區域–距離黑洞0.1 皮秒的範圍內，幾乎沒有恆星能毫髮無傷。

羅斯解釋說：”距離我們太陽最近的恆星大約在四光年之外。在超大質量黑洞附近的相同距離內，有超過一百萬顆恆星。這是一個非常擁擠的鄰域。除此之外，超大質量黑洞還具有非常強大的引力，當它們繞著黑洞運行時恆星可以以每秒數千公里的速度移動。”

在這個狹小而緊張的鄰域中，恆星可能會與其他恆星發生碰撞。恆星越靠近超大質量黑洞，碰撞的可能性就越大。出於對這些碰撞結果的好奇，羅斯和她的合作者開發了一種模擬，以追蹤銀河系中心恆星群的命運。模擬考慮了幾個因素：恆星群的密度、恆星的質量、軌道速度、引力以及與Sgr A* 的距離。

羅斯在研究中發現了一個最有可能決定恆星命運的因素：恆星與超大質量黑洞的距離。在距離黑洞0.01 皮秒的範圍內，恆星以每秒數千公里的速度移動，並不斷相互碰撞。這種碰撞很少是正面碰撞，更像是”劇烈的擊掌”。撞擊的力道不足以將恆星完全撞碎。相反，它們會脫落外層，繼續沿著碰撞路線加速前進。

羅斯說：”它們相互擦過，就像在非常激烈地擊掌。這會導致恆星噴射出一些物質，失去外層。根據它們移動的速度和碰撞時的重疊程度，它們可能會失去相當多的外層層。

在0.01 皮秒之外，恆星的運動速度更為緩慢–每秒數百公里，而不是數千公里。由於速度較慢，這些恆星會相互碰撞，但又沒有足夠的能量逃逸。相反，它們會合併變得更加巨大。在某些情況下，它們甚至可能合併多次，變得比我們太陽的質量大10 倍。

羅斯說：「少數恆星透過碰撞和合併，收集了更多的氫。雖然它們是由較老的恆星形成的，但它們卻偽裝成年輕的恆星。它們就像殭屍恆星，會吃掉自己的鄰居。”

但是，年輕的外表是以縮短壽命為代價的。大質量恆星有點像巨大的、充滿氣體的汽車。它們一開始有大量的氫，但它們燃燒的速度非常非常快。

雖然羅斯在研究銀河系中心附近奇異的極端區域時發現了簡單的快樂，但她的工作也能揭示銀河系的歷史資訊。由於中心星團極難觀測，她的團隊的模擬可以揭示隱藏的過程。

羅斯說：”這是一個與眾不同的環境。在一個非常擁擠的區域中，受到超大質量黑洞影響的恆星，與我們在太陽系附近看到的任何東西都不一樣。但是，如果我們能夠了解這些恆星群，那麼我們也許就能對銀河系中心是如何形成的有一些新的認識。

羅斯在美國物理學會的演講包括2024年3月《天文物理學雜誌通訊》和2023年9月《天文物理學雜誌》發表的研究成果。

編譯自: ScitechDaily