[論文レビュー] Escape from the Bermuda cluster: Orphanization by multiple stellar ejections

J. Maíz Apellániz, M. Pantaleoni González+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 71被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、ガイヤーEDR3の天体測位データと多波長データを用いて、バミューダクラスタ（Villafranca O-014 NW）から3つの明確に区別できる恒星の噴出イベント—Bajamar、Toronto、HD 201 795—を同定した。これらのイベントはそれぞれ161万年前、150万年前、191万年前に発生し、200 M⊙以上の質量が噴出された。これにはクラスタの3つの最も質量の大きな星が含まれており、バミューダクラスタが初期質量関数がKroupa型に類似した、著しく変化した現在の質量関数を持つ孤立クラスタであることが確認された。

ABSTRACT

[Context] Dynamical interactions in young stellar clusters can eject massive stars early in their lives and significantly alter their mass functions. If all of the most massive stars are lost, we are left with an orphan cluster. [Aims] We study the Bermuda cluster (Villafranca O-014 NW), the most significant young stellar group in the North America and Pelican nebulae, and the massive stars that may have been ejected from it to test if it has been orphane-d. [Methods] We use Gaia EDR3 parallaxes and proper motions to search for walkaway and runaway stars in the vicinity of the North America and Pelican nebulae. The candidates are analyzed with a combination of spectroscopy and photometry to assess their nature and their trajectories are traced back in time to determine at what time they left the Bermuda cluster. [Results] We detect three ejection events, dubbed the Bajamar, Toronto, and HD 201 795 events, which expelled (a minimum of) five, two, and two systems, respectively, or six, three, and three stars if we count the individual components in spectroscopic and eclipsing binaries. The events took place 1.611 ± 0.011 Ma, 1.496 ± 0.044 Ma, and 1.905 ± 0.037 Ma ago, respectively, but our analysis is marginally consistent with the first two being simultaneous. We detect bow shocks in WISE images associated with four of the ejected systems; their orientation agrees with that of their relative proper motions with respect to the cluster. Combining the three events, the Bermuda cluster has lost over 200 M, including its three most massive stars, so it can be rightfully considered an orphan cluster. One consequence is that the present-day mass function of the cluster has been radically altered from its top-heavy initial value to one compatible with a Kroupa-like function. Another is that the cluster is currently expanding with a dynamical timescale consistent with the cause being the ejection events. A scenario in which the Bermuda cluster was formed in a conveyor-belt fashion over several hundreds of ka or even 1 Ma is consistent with all the observables.

研究の動機と目的

• バミューダクラスタ（Villafranca O-014 NW）が、最も質量の大きな星の早期の噴出によって孤立したクラスタとなっているかどうかを特定すること。
• ガイヤーEDR3の天体測位データを用いて、北アメリカ星雲およびペリカン星雲領域に存在する走り出し星および歩き出し星を同定・特徴づけること。
• 噴出された星の軌道を逆方向にたどることで、バミューダクラスタからの噴出時刻を推定し、クラスタの質量関数に与える動的影響を評価すること。
• 赤外線データにおけるbowシャワーの存在を調査し、高エネルギーの噴出を裏付ける証拠とする。
• クラスタの現在の拡張と質量関数の進化が、複数回の噴出イベントと整合しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 北アメリカ星雲およびペリカン星雲周辺の高運動星を特定するために、ガイヤーEDR3の距離パラレルスと固有運動を活用した。
• スペクトロスコピックおよび光度測定分析を統合して、候補噴出星の性質を分類し、径方向速度と連星性を評価した。
• 噴出星の軌道を時間の逆方向にたどることで、バミューダクラスタからの噴出エポックを特定した。
• WISEの赤外画像を分析し、噴出星に関連するbowシャワーを検出し、その向きが固有運動ベクトルと一致するかを比較した。
• 二重星系の成分を含めた合計質量を計算することで、クラスタから失われた総質量を算出した。
• 噴出シナリオがクラスタの現在の拡張 timescale および質量関数の進化と整合しているかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バミューダクラスタが、最も質量の大きな星の動的噴出によって、現在の孤立クラスタの状態に至ったのであろうか？
• RQ2 クラスタから噴出された最も質量の大きな星の噴出時刻と運動特性は何か？
• RQ3 噴出星に関連する観測的兆候、例えばbowシャワーのようなものがあるだろうか？
• RQ4 複数回の噴出イベントによって、クラスタはどれほど質量を失ったのか？ そして、現在の質量関数にどのような影響を与えたのか？
• RQ5 クラスタの現在の拡張は、噴出イベントのタイミングとエネルギーと整合しているだろうか？

主な発見

• 3つの明確に区別できる噴出イベント—Bajamar、Toronto、HD 201 795—がそれぞれ161万1000年前±1万1000年前、150万6000年前±4万4000年前、190万5000年前±3万7000年前に発生した。わずかな一貫性の欠如から、最初の2つのイベントがほぼ同時に発生した可能性があると示唆された。
• 噴出によって、最小で5、2、2つのシステム（二重星成分を含めると6、3、3つの星）が失われ、合計で200 M⊙を超える質量損失が発生した。
• 噴出されたシステムのうち4つがWISE画像でbowシャワーを示しており、シャワーの向きが固有運動ベクトルと一致しており、高エネルギーの噴出が確認された。
• クラスタの現在の質量関数は、Kroupa型の初期質量関数と整合的である。これは、元々のトップヘビーな状態から著しく変化したことを示している。
• クラスタは現在、推定された噴出イベントと一致する動的時効で拡張している。これは、噴出シナリオを支持する。
• 数10万年から100万年程度にわたるコンベアベルトプロセスを伴う形成シナリオは、観測されたすべての運動および天体測位データと整合的である。