[論文レビュー] Evolution of two stellar populations in globular clusters II. Effects of primordial gas expulsion

T. Decressin, Holger Baumgardt+2 more|Queensland's institutional digital repository (The University of Queensland)|Mar 30, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 68被引用数 57

ひとこと要約

本稿は、球状星団における原始的ガスの放出が、第二世代星の動的増幅にどのように寄与するかを調査しており、ガスの放出が第一世代星を優先的に排除する一方で、より中心に集中した第二世代星を保持することを示している。星形成効率が約0.33の場合、モデルは現在の星団で観測される最大60％の第二世代星割合を再現する。

ABSTRACT

We investigate the early evolution of two distinct populations of low-mass stars in globular clusters under the influence of primordial gas expulsion driven by supernovae to study if this process can increase the fraction of second generation stars at the level required by observations. We analyse N-body models that take into account the effect of primordial gas expulsion. We divide the stars into two populations which mimic the chemical and dynamical properties of stars in globular clusters so that second generation stars start with a more centrally concentrated distribution. The main effect of gas expulsion is to eject preferentially first generation stars while second generation stars remain bound to the cluster. In the most favourable cases second generation stars can account for 60% of the bound stars we see today. We also find that at the end of the gas expulsion phase, the radial distribution of the two populations is still different, so that long-term evolution will further increase the fraction of second generation stars. The large fraction of chemically anomalous stars is readily explainable as a second generation of stars formed out of the slow winds of rapidly rotating massive stars if globular clusters suffer explosive residual gas expulsion for a star formation efficiency of about 0.33.

研究の動機と目的

• 原始的ガスの放出が、球状星団における第二世代星の高い観測された割合を説明できるかどうかを明らかにすること。
• 形成期における第二世代星の半径方向的分離が、ガス放出後の保持に与える影響を調査すること。
• 観測された第二世代星割合を再現するための初期星団特性（星形成効率、初期半質量半径、ガス放出 timescale など）を制約すること。
• 高い軌道傾きまたは長い軌道周期を示す星団におけるO-NaおよびMg-Alの反相関が、ガス放出によって説明可能かどうかを評価すること。
• 動的進化の文脈において、高速回転大質量星（WFRMS）のシナリオが化学的自己増幅に実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 超新星によって駆動される原始的ガスの放出を組み込んだN体シミュレーションであり、2つの動的および化学的に異なる星の集団を含む。
• 第一世代星はより広がった半径分布を割り当てられ、第二世代星は観測された運動的・化学的分離を模倣するためにより集中した分布で初期化される。
• ガスの放出は、クラスタの交差時間と同等の timescale で急激な質量損失としてモデル化され、超新星駆動の外流を模倣する。
• シミュレーションでは、放出後の両集団の生存率と半径分布を追跡し、最終的にクラスタに束縛された第二世代星の割合に注目する。
• 観測的制約に一致させるために、星形成効率（SFE）、初期半質量半径、潮汐場の強度といった初期クラスタパラメータを変化させる。
• 本モデルでは、高速回転大質量星からの遅い風が星間媒体を豊かにし、その後に化学的特徴が異なる第二世代星が形成されるという仮定を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始的ガスの放出が、第一世代星を優先的に排出しつつ、第二世代星の高割合を保持できるか。
• RQ2 観測された60％の第二世代星割合を再現するための初期クラスタ条件（例：SFE、初期濃度、放出 timescale）は何か。
• RQ3 形成期における第二世代星の半径方向的分離が、ガス放出後の生存にどのように影響するか。
• RQ4 ガス放出が、軌道パラメータ（例：傾き、周期）とO-NaおよびMg-Al反相関の程度との間の観測された相関を説明できるか。
• RQ5 ガス放出が動的進化に組み込まれた場合、高速回転大質量星からの遅い風が化学的増幅の供給源として実現可能か。

主な発見

• 原始的ガスの放出は、第一世代星がより広がった分布にあるため、それらを優先的に排出する一方で、当初より中心に集中した第二世代星はクラスタに束縛されたまま残る。
• 最も好都合な条件下では、現在のクラスタに束縛された星のうち第二世代星が最大60％に達し、観測推定値と一致する。
• 第二世代星の最終的な割合は、星形成効率が約0.33のとき最高となり、観測された星団質量および初期条件と整合的である。
• 初期クラスタの半質量半径は1〜3 pcに制限され、最も質量の大きな星団では4〜5 pcまで拡張可能であり、NGC 6752のような星団では全原始GC雲質量が数×10⁶ M☉に達し、最大で9×10⁶ M☉に達する。
• ガス放出後も、2つの集団の半径分布は明確に分離したままであり、長期的な動的進化が第二世代星割合をさらに高めることが示唆される。
• ガス放出と長期的進化中の潮汐的ストリッピングの組み合わせにより、現在の球状星団における観測された第二世代星の割合を再現できる。