[論文レビュー] Formation and Evolution of Young Massive Clusters

Bruce G. Elmegreen|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2006

Theoretical and Computational Physics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スケールフリーな星間媒体内での階層的構造が、若い高密度集団の形成をもたらすと提案している。密度の高いクラウドが集団を形成し、時間とともに動的混合が進行する。集団質量関数は質量依存的破壊によって進化するが、破壊 timescale が質量に比例する場合、理論モデルでは低質量域に転換点が予測される。一方、観測では時間経過に伴い質量関数が一定であると示唆されており、既存のモデルに挑戦し、破壊メカニズムに関する未解決の論争を浮き彫りにしている。

ABSTRACT

Clusters are the dense inner regions of a wide-spread hierarchy of young stellar structures. They often reveal a continuation of this hierarchy inside of them, to smaller scales, when they are young, but orbital mixing eventually erases these subparts and a only smooth cluster or smooth unbound group remains. The stellar hierarchy follows a similar structure in the interstellar gas, which is presumably scale-free because of supersonic motions in the presence of turbulence and self-gravity. The efficiency of star formation increases automatically with density in a hierarchical ISM, causing most dense stellar groups to be initially bound for local conditions. In lower pressure environments, the infant mortality rates should be higher. Also following from hierarchical structure is the cluster mass distribution function and perhaps also the cluster size distribution function, although the predicted mass-size relation is not observed. Cluster destruction is from a variety of causes. The destruction time should depend on cluster mass, but the various groups who have studied this dependence have gotten significantly different results so far.

研究の動機と目的

• 観測された集団質量関数の起源とその時間的進化を説明すること。
• 星間媒体内の階層的構造が星形成効率および集団の束縛性に与える影響を調査すること。
• 集団破壊の理論的モデルと、集団質量関数の進化に関する観測データとの間の不一致を解消すること。
• 集団破壊 timescale が質量に依存するかどうかを検討すること。これは一部のモデルで示唆されているが、観測では確認されていない。

提案手法

• ガス放出および星の進化による集団破壊の解析的モデルを用い、質量依存的破壊 timescale を仮定：dM/dt = -M/t_dis。
• 初期集団質量関数にべき則モデルを適用し、t_dis(M) の異なる仮定のもとでの質量関数の時間的進化を導出する。
• 理論的予測の進化する質量関数を、特にLMCおよびアントラス銀河における観測された集団数（log(M)区間）と比較する。
• LMCおよびアントラス銀河の観測データを分析し、集団質量関数が時間経過で一定か、それとも変化するかを検証する。
• 観測された集団数密度の進化が、t_dis ∝ M^γ のモデルと整合するかを評価し、γ = 0.62 の場合に低質量域で予測される勾配β = 0.38 が得られることを確認する。
• 観測された質量関数に転換点がないのは、検出限界のためではなく、時間経過に伴い本質的に一定である可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星間媒体内の階層的構造は、若い高密度集団の形成および初期の束縛性にどのように影響するか？
• RQ2 集団破壊 timescale は集団質量に依存するのか？その依存関係は集団質量関数の進化にどのように影響するか？
• RQ3 なぜLMCおよびアントラス銀河の観測では、低質量域に転換点を予測するモデルとは対照的に、質量関数が時間経過に伴い一定であると示されているのか？
• RQ4 ガス放出、星の進化、および潮汐力は、異なる進化段階で集団破壊にどの程度寄与しているか？
• RQ5 LMCにおける観測されたべき則的質量関数は、質量非依存的破壊によって説明可能か？それとも、別の破壊メカニズムを必要とするか？

主な発見

• 理論的モデルでは、集団破壊 timescale が t_dis ∝ M^γ で表され、γ = 0.62 の場合、低質量域でβ = 0.38 の勾配を持つ質量関数が進化し、log(M)区間あたりの集団数に転換点が生じると予測される。
• LMCの観測では、10^9.75年間にわたり10^4 M⊙まで連続するべきべき則的質量関数が観測され、転換点の兆候は認められない。これは、質量依存的破壊モデルが予測するように質量関数が進化しないことを示唆している。
• Fallら（2005年）の研究では、年齢区間あたりの集団数がt^{-1}に比例し、質量に依存しないことが示された。これはt_dis ∝ M^{-1}を示唆し、γ = 0.62 のモデルと矛盾する。
• LMCおよびアントラス銀河における質量関数の時間的一定性は、破壊 timescale が質量に依存しないか、または観測された質量関数が破壊によって顕著に変化していないことを示唆している。
• 質量関数に検出可能な転換点がないことは、質量依存的破壊が広く受け入れられているモデルに反する。観測限界が転換点の欠如の原因である可能性は低いとされる。
• 理論的予測と観測結果の不一致は、長期間にわたる集団破壊を支配する主要な物理的メカニズムを理解する上で未解決の緊張を示している。