[論文レビュー] Inverse dynamical population synthesis: Constraining the initial conditions of young stellar clusters by studying their binary populations

Michael Marks, Pavel Kroupa|arXiv (Cornell University)|May 7, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 104被引用数 110

ひとこと要約

本稿では、初期二重星性の性質を変化させることなく、動的進化のみで、多様な若い星団における観測された二重星頻度および軌道分布を説明可能であると提唱している。N体モデルを用いた逆方向の動的集団合成を適用することで、初期集団密度（1〜2×10⁴ stars pc⁻³）の変動が、トレウス、オリオン、IC 348 などにおける観測された二重星集団を再現できることを示しており、星質量と半質量半径の弱い相関関係 r_h ∝ M_ecl^0.13±0.04 が明らかになった。

ABSTRACT

Binary populations in young star clusters show multiplicity fractions both lower and up to twice as high as those observed in the Galactic field. We follow the evolution of a population of binary stars in dense and loose star clusters starting with an invariant initial binary population and a formal multiplicity fraction of unity, and demonstrate that these models can explain the observed binary properties in Taurus, Rho-Ophiuchus, Chamaeleon, Orion, IC 348, Upper Scorpius A, Praesepe, and the Pleiades. The model needs to consider solely different birth densities for these regions. The evolved theoretical orbital-parameter distributions are highly probable parent distributions for the observed ones. We constrain the birth conditions (stellar mass, M_ecl, and half-mass radius, r_h) for the derived progenitors of the star clusters and the overall present-day binary fractions allowed by the present model. The results compare very well with properties of molecular cloud clumps on the verge of star formation. Combining these with previously and independently obtained constraints on the birth densities of globular clusters, we identify a weak stellar mass -- half-mass radius correlation for cluster-forming cloud clumps, r_h / pc ~ (M_ecl / M_sun)^(0.13+-0.04). The ability of the model to reproduce the binary properties in all the investigated young objects, covering present-day densities from 1-10 stars pc^-3 (Taurus) to 2x10^4 stars pc^-3 (Orion), suggests that environment-dependent dynamical evolution plays an important role in shaping the present-day properties of binary populations in star clusters, and that the initial binary properties may not vary dramatically between different environments.

研究の動機と目的

• 環境依存の動的進化が、環境依存の初期二重星形成を仮定せずに、若い星団における観測された二重星集団特性を説明できるかどうかを明らかにすること。
• 二重星進化の逆モデリングを用いて、観測された若い集団の初期条件（星質量 M_ecl および半質量半径 r_h）を制約すること。
• 普遍的な初期二重星集団が、顕著に異なる現在の密度を持つ複数の集団における観測された二重星頻度を再現可能かどうかを検証すること。
• 動的制約から得られるスケーリング関係を用いて、集団形成と分子雲クランプの性質を結びつける、出発時の集団質量とサイズの関係を導出すること。

提案手法

• 本研究では、8つの若い集団における観測された二重星特性から、初期集団条件を推定する逆方向の動的集団合成を用いる。
• N体シミュレーションにより、ユニバーサルな初期二重星分布（100％の多重性頻度）を出発点として持つ二重星豊富な集団の進化をモデル化する。
• 観測された軌道パラメータ分布を逆方向に解き、観測データを最もよく再現する初期集団密度、質量、および半質量半径を推定する手法を採用する。
• 初期条件は、トレウス、ρ オphiuchus、シャマレオン、オリオン、IC 348、アッパー・スコルピウス A、プレアデス、およびパレアセペにおける理論的進化済み二重星分布と観測分布を一致させることで制約される。
• これまでの球状星団の出発時の密度に関する先行研究の制約を組み込み、より広範な集団質量範囲にわたる関係を拡張する。
• 統合されたデータから、スケーリング関係 r_h ∝ M_ecl^0.13±0.04 が導出され、出発時の集団サイズと質量の関係が明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的進化のみで、現在の密度が異なるさまざまな若い星団における観測された二重星頻度の範囲を説明できるか？
• RQ2 トレウス、オリオン、IC 348 および他の集団における観測された二重星集団を再現するための初期集団条件（M_ecl, r_h）は何か？
• RQ3 観測された多様な環境における二重星頻度特性を説明できる普遍的な初期二重星集団が存在するか？
• RQ4 観測された二重星集団の変動は、初期形成段階の違いによるものか、それとも形成後の動的進化によるものか？
• RQ5 動的モデリングから得られる、出発時の集団質量と半質量半径の本質的関係は何か？

主な発見

• モデルは、初期集団密度の変動のみを用いて、調査された8つの若い集団すべてにおいて観測された二重星多重性頻度および軌道分布を成功裏に再現した。
• 現在の密度が低い（約1〜10 stars pc⁻³）トレウスでは、初期密度が約10 stars pc⁻³の低密度であるため、二重星集団はほとんど進化していないことが一貫している。
• 現在の密度が高い（約2×10⁴ stars pc⁻³）オリオンでは、観測された二重星特性を再現するためには、初期密度が約10⁴ stars pc⁻³である必要がある。
• IC 348 およびプレアデスに加え、パレアセペ、ρ オphiuchus、シャマレオンも、類似した推定された初期密度を示しており、類似した動的進化歴を示している。
• 本研究では、初期集団質量と半質量半径の弱いが有意な相関関係が明らかになった：r_h / pc ∝ (M_ecl / M☉)^0.13±0.04 であり、これは分子雲クランプの観測結果と整合的である。
• 結果は、普遍的な初期二重星集団の仮説を支持しており、観測された二重星性の変動は主に形成後の動的進化によるものであり、初期形成の違いによるものではないと示唆している。