[論文レビュー] Environmental Effects on the Dynamical Evolution of Star Clusters in Turbulent Molecular Clouds

Paolo Suin, S. N. Shore+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 71被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、AMUSEを用いた連成N体および滑らかめ粒子動力学（SPH）シミュレーションを用いて、乱流を示す分子雲が若い巨大星集合の動的進化に与える影響を調査している。結果として、ガス環境からの潮汐的ハラスメントがコアの拡張を促進し、漸近的密度プロファイルの勾配を変化させることで、孤立したクラスターよりも速やかに質量分離が進行し、質量損失が増加することが判明した。これは、クラスターダイナミクスと環境フィードバックの間の重要な結合を示している。

ABSTRACT

Context: Star clusters form within giant molecular clouds that are strongly altered by the feedback action of the massive stars, but the cluster still remains embedded in a dense, highly turbulent medium and interactions with ambient structures may modify its dynamical evolution from that expected if it were isolated. Aims: We aim to study coupling mechanisms between the dynamical evolution of the cluster, accelerated by the mass segregation process, with harassment effects caused by the gaseous environment. Methods: We simulated the cluster dynamical evolution combining $N$-body and hydrodynamic codes within the Astronomical Multipurpose Software Environment (AMUSE). Conclusions: Tidal harassment produces a sparser configuration more rapidly than the isolated reference simulations. The evolution of the asymptotic power-law density distribution exponent also shows substantially different behaviour in the two cases. The background is more effective on clusters in advanced stages of dynamical development.

研究の動機と目的

• 乱流を示すガス環境が若い巨大星集合（YMCs）の動的進化に与える影響を理解すること。
• 変動的で乱流を示すISMポテンシャルからの潮汐的ハラスメントと質量分離の間の結合を調査すること。
• 環境的摂動がコアの拡張、密度プロファイルの進化、および質量損失に与える影響を、孤立したクラスターシミュレーションと比較して定量すること。
• 環境フィードバックが星集合の観測される性質、特に初期進化段階における影響を評価すること。

提案手法

• シミュレーションは、AMUSEフレームワークを介して、N体ダイナミクス（PeTarコードを用いて）とガスの滑らかめ粒子動力学（SPH）（GADGET-2およびFiコードを用いて）を結合している。
• 乱流ガス場は、各タイムステップでSPH粒子にランダムな速度キックを注入することで生成され、一定の乱流速度分散を維持する。
• 初期条件には、等質量星からなるクラスタ、SalpeterおよびKroupaのIMF、および0.7、1.3、3.0 pcのVirial半径を含み、ガス環境の有無を問わず設定されている。
• ガスはn = 10 cm⁻³、µ = 1.27で初期化され、加熱・冷却関数が適用されて熱不安定性と構造形成を可能にしている。
• 潮汐的効果は、ガス背景の有無を比較することで定量化され、コアの拡張、密度プロファイル勾配、および質量損失に注目している。
• 長期的な環境的影響を捉えるために、100 Myr以上にわたるシミュレーションが実行され、簡略化のため星の進化は無視されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流ガス環境からの潮汐的ハラスメントは、若い巨大星集合におけるコアの拡張と質量分離の timescale にどのように影響するか？
• RQ2 環境的摂動によって、孤立した進化とは異なり、漸近的べき乗則密度プロファイル勾配βがどれほど逸脱するか？
• RQ3 二体緩和と潮汐的ショックの両方が、特に中質量領域の質量損失に果たす相対的寄与は何か？
• RQ4 変動的で乱流を示すポテンシャルの存在は、孤立したシミュレーションと比較して、脱出星の脱出率と質量関数にどのように影響するか？
• RQ5 環境結合は、コア半径やハロー拡張といったクラスタ構造パラメータに観測可能な差をもたらすか？

主な発見

• 乱流ガス環境からの潮汐的ハラスメントは、孤立したシミュレーションよりも速やかにコアの拡張と平衡状態への移行を促進する。
• 環境が存在する場合、漸近的べき乗則密度プロファイル勾配βは、孤立ケースで見られる線形トレンドとは異なり、より顕著な時間的変動と、より急勾配で階段状の進化を示す。
• 環境下でのすべてのコア崩壊シミュレーションは、孤立ケースと比較して低いβ値で終了し、これは潮汐的ハラスメントによる加速進化に起因するより拡張され、より平衡状態に近い構造を示している。
• 環境下のシミュレーションにおける質量損失は、対応する孤立シミュレーションの合計を上回り、動的進化と環境的ハラスメントの間の非加法的結合を示している。
• 環境下の脱出星の質量分布では、中質量星の割合が増加しており、これは潮汐的ショックが質量に依存せず、外側ハローの星を優先的に剥ぎ取ることを示している。
• クラスターダイナミクスとガス環境の結合は、すでに動的発達の進行段階にあるクラスタで最も強く、この段階では潮汐力が内部緩和プロセスを上回る。