Astronomia

Come può una stella essere “buttata fuori dalla Via Lattea” da Sagittarius A*?

Come può una stella essere “buttata fuori dalla Via Lattea” da Sagittarius A*?

Una recente pubblicazione riporta che è stata trovata una stella ipervelocità in rotta per lasciare la galassia, probabilmente accelerata dal buco nero al centro della Via Lattea in un processo previsto da Jack G. Hills nel 1988. Una frase di quell'astratto sottolinea in modo perspicace :

La scoperta anche di una di queste stelle iperveloci provenienti dal centro galattico sarebbe una prova quasi definitiva di un enorme buco nero.

Il processo coinvolge un sistema binario che si avvicina abbastanza al buco nero che una delle stelle viene "catturata" e l'altra viene espulsa.

Per quanto posso vedere, la stella in fuga può al massimo finire con l'energia cinetica dell'altra stella sopra la propria, accelerandola di un fattore di $sqrt{2}$ se le stelle hanno la stessa massa. Un "effetto fionda" è impossibile perché il buco nero centrale è stazionario rispetto alla galassia.

Questo significa che questo effetto coinvolge necessariamente sistemi binari con masse molto diverse in modo che sia disponibile più energia per il trasferimento alla stella più leggera? O ci sono altri effetti in gioco?


È molto simile alla domanda annotata nei commenti che ha una bella risposta matematica.

Ma alcuni commenti nella tua domanda non sono corretti e vale la pena affrontarli.

Per quanto posso vedere, la stella in fuga può al massimo finire con l'energia cinetica dell'altra stella sopra la propria, accelerandola di un fattore 2-√ se le stelle hanno la stessa massa.

L'energia cinetica combinata rimane invariata, a meno che non ci sia una collisione o qualche tipo di interazione relativistica, ma non è molto importante. È più facile pensare a un'interazione di fionda gravitazionale tra un oggetto più grande (come Giove) e un oggetto più piccolo come una navicella spaziale Voyager. L'energia cinetica e il momento scambiati sono uguali tra i due, ma l'accelerazione all'oggetto più grande è trascurabile ma l'accelerazione all'oggetto più piccolo può essere fino a 2 volte la velocità di quello più grande più la velocità iniziale, o 2U + V, che è più che sufficiente per sfuggire sia al buco nero centrale che all'intera galassia quando le velocità iniziali sono sufficientemente elevate.

Vedi questa domanda per ulteriori calcoli.

E hai scritto questo:

Un "effetto fionda" è impossibile perché il buco nero centrale è stazionario rispetto alla galassia.

Questo non è rilevante, perché non è la velocità dell'oggetto centrale che conta, ma la velocità delle stelle in orbita attorno al buco nero centrale, che può essere molto alta. Quando due stelle in orbita attorno al buco nero centrale passano l'una vicino all'altra, si verifica un'assistenza gravitazionale e le due stelle si scambiano velocità e quantità di moto.

Questa può essere una cosa difficile da immaginare. È spesso descritto come far rimbalzare una palla su un treno in movimento, la velocità del treno (per 2) può essere aggiunta alla velocità iniziale della palla. Il problema con quell'immagine è che c'è un punto di impatto in cui si riflette la velocità e quel momento non accade mai in un'orbita. Il modo in cui mi piace pensarlo è, immagina di essere in piedi su una stazione e un treno si sta avvicinando e il treno sta trasportando un oggetto molto pesante - diciamo una stella di neutroni, e tu lanci una palla verso, ma proprio dietro il stella di neutroni.

Lanci la palla a 100 km/h e il treno si muove verso la stazione a 100 km/h. La stella di neutroni sul treno vede la palla avvicinarsi ad essa a 200 km/h, quindi ruota intorno alla gravità della stella di neutroni e vola via dalla stella di neutroni a 200 km/h, perché le velocità orbitali sono conservate nell'orbita iperbolica.

Ma se la palla sta volando via dal treno a 200 km/h e il treno si sta muovendo verso di te a 100 km/h, la palla, inevitabilmente, sta viaggiando nella tua direzione a 300 km/h, o 2U + V.

Questo significa che questo effetto coinvolge necessariamente sistemi binari con masse molto diverse in modo che sia disponibile più energia per il trasferimento alla stella più leggera? O ci sono altri effetti in gioco?

Questa è una domanda interessante e la matematica è un po' confusa, quindi forse qualcun altro potrebbe farlo. Due stelle di massa uguale e di direzioni opposte potrebbero accelerarsi a vicenda e una volerebbe via dal buco nero e l'altra volerebbe verso il buco nero. Penso che sia più facile con un oggetto più grande e più piccolo in cui gli oggetti più piccoli vengono accelerati e quello più grande si muove solo di poco, ma non vedo alcun motivo per cui due oggetti di massa uguale non possano scambiarsi una velocità significativa l'uno con l'altro, cambiando entrambe le traiettorie. Questa è una buona domanda se ciò sarebbe sufficiente per raggiungere la velocità di fuga per uno di loro.


Questo è fondamentalmente solo l'effetto Oberth. Il trasferimento di quantità di moto tra le stelle è limitato dalla loro reciproca velocità orbitale, più o meno, ma quel trasferimento sta avvenendo in profondità nel pozzo gravitazionale del buco nero.

Se lo consideriamo dal punto di vista del buco nero (o di un osservatore a riposo rispetto ad esso) il binario si sta muovendo ad alta velocità $V$ a causa della sua orbita attorno al buco nero. Quella velocità derivava dall'energia potenziale persa mentre cadeva, quindi $PE = 1/2 mV^2$. Dopo che sono stati separati, uno potrebbe essere in movimento a $V+v$ (dove $v$ è correlato alla velocità orbitale reciproca), quindi KE 1/2 milione di dollari (V+v)^2$.

Allontanandosi dal buco nero perderà la conversione $1/2 mV^2$ di questo torna a PE, lasciando un'energia netta di circa $mVv$, che rimane come KE, quindi la stella si muove a circa $sqrt{2Vv}$ che ovviamente può essere molto più grande di $V$.


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