[論文レビュー] Evolution of stellar collision products in open clusters. II. A grid of low-mass collisions

E. Glebbeek, O. R. Pols|ArXiv.org|Jun 4, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 42被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、開集合における低質量星衝突生成物の包括的な詳細星進化モデルのグリッドを提示する。エントロピー順序付けと1次元星進化コードを用いて、収縮段階から主系列および巨星分枝に至るまでの残骸を追跡する。衝突生成物がM67およびNGC 188における観測された青い停滞星（blue straggler）の位置と一致することを示し、通常の星とは顕著に異なる寿命および明るさを示す。また、N体シミュレーションでこれらの残骸を正確にモデル化するための解析的レシピを提供する。

ABSTRACT

In a companion paper we studied the detailed evolution of stellar collision products that occurred in an $N$-body simulation of the old open cluster M67 and compared our detailed models to simple prescriptions. In this paper we extend this work by studying the evolution of the collision products in open clusters as a function of mass and age of the progenitor stars. We calculated a grid of head-on collisions covering the section of parameter space relevant for collisions in open clusters. We create detailed models of the merger remnants using an entropy-sorting algorithm and follow their subsequent evolution during the initial contraction phase, through the main sequence and up to the giant branch with our detailed stellar evolution code. We compare the location of our models in a colour-magnitude diagram to the observed blue straggler population of the old open clusters M67 and NGC 188 and find that they cover the observed blue straggler region of both clusters. For M67, collisions need to have taken place recently. Differences between the evolution tracks of the collision products and normal main sequence stars can be understood quantitatively using a simple analytic model. We present an analytic recipe that can be used in an $N$-body code to transform a precomputed evolution track for a normal star into an evolution track for a collision product.

研究の動機と目的

• 開集合における低質量星衝突生成物の進化を体系的にモデル化し、青い停滞星形成に必要なパラメータ空間をカバーすること。
• 前身星の質量、年齢、エントロピー分布に依存する合体残骸の内部構造と進化を理解すること。
• M67およびNGC 188における観測された青い停滞星集団を、色−等級図を用いて詳細な衝突モデルと比較すること。
• N体シミュレーションで使用可能な簡単な解析的レシピを開発し、通常の星進化軌道を正確な衝突生成物軌道に変換できること。
• 特に既存のレシピと比較して、衝突生成物と通常の星との間の主系列寿命、明るさ、半径の違いを定量化すること。

提案手法

• 合計質量 ≤ 2.4 M☉ の同一年齢の低質量主系列星同士の正面衝突のグリッドを計算し、質量比と前身星年齢の範囲をカバーした。
• エントロピー順序付けアルゴリズムを用いて、2つの前身星からなる合体残骸の初期構造を再構成し、エントロピーおよび組成勾配を保存した。
• 完全に陰的な1次元星進化コードを用いて、各残骸の詳細な進化を追跡し、収縮段階、主系列進化、巨星分枝上昇段階を含めた。
• 色−等級図を用いて、M67およびNGC 188における観測された青い停滞星シーケンスとモデルを比較し、整合性を評価した。
• 通常の星進化軌道を衝突生成物軌道に変換するための解析的レシピを導出し、前身星質量および年齢に依存する明るさ、半径、寿命の依存関係に基づいたものとした。
• コア沈下（主星または準主星のもの）および分子量の逆転の役割を、エントロピーおよび組成プロファイルを用いて分析し、混合状態（M、P、S）を分類した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ質量を持つ通常の主系列星と比較して、星衝突生成物の明るさ、半径、主系列寿命はどのように異なるか？
• RQ2 質量比や前身星年齢といったパラメータ空間のどの領域で、合体残骸に異なる混合状態（主星コア沈下、準主星コア沈下、または混合）が現れるか？
• RQ3 詳細な衝突モデルが、M67およびNGC 188における観測された青い停滞星シーケンスを色−等級図でどの程度再現できるか？
• RQ4 N体シミュレーションで使用可能な簡単な解析的レシピを導出でき、詳細計算に代わって衝突生成物の進化を正確に表現できるか？
• RQ5 前身星のエントロピーおよび組成勾配が、合体残骸の内部構造と長期的進化にどのように影響を与えるか？

主な発見

• グリッドに含まれる衝突生成物は、M67およびNGC 188の両方における色−等級図で観測された青い停滞星領域をカバーしており、それらが青い停滞星の前身星として妥当であることを確認した。
• 衝突残骸は、同じ質量の通常の主系列星よりも明るいが、完全に混合されたモデルほど青くない。また、Hurleyら（2001）のBSEレシピが予測するよりも主系列寿命が短い。
• 3つの異なる混合状態が特定された：質量比がほぼ等しい衝突では「M」（混合コア）、「P」（主星コア沈下）は主星が進化済みの場合、「S」（準主星コア沈下）は準主星が未発達で、特に質量比 ≲0.4 の場合に顕著に現れる。
• 「S」状態では、ヘリウムが豊富な層が水素が豊富なコアの上に形成され、顕著な分子量の逆転を生じ、コア縁に水素燃焼シェルが形成される。
• 導出された解析的レシピにより、前身星の質量および年齢に応じて明るさ、半径、寿命を調整することで、通常の星進化軌道を衝突生成物軌道に変換可能となり、N体シミュレーションでの効率的利用が可能になる。
• M67では、モデルが示唆するところ、衝突は比較的最近に発生したとされ、古くは進化が観測された青い停滞星領域を通り過ぎていたであろう。