[論文レビュー] Observations and Theory of Star Cluster Formation

Bruce G. Elmegreen, Yu. N. Efremov+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 253被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、星団形成における観測的・理論的知見を統合し、若い恒星集合体が乱流ガス力学によって形成され、数回の乱流通過時間以内に階層的構造が出現すると提唱している。密度の高い星団では重力的平衡が初期の部分構造を消去している証拠が示され、質量分離や星団の束縛は星形成効率と環境的圧力に強く依存しており、球状星団は星形成爆発銀河や初期ハロー環境に似た高圧条件の下で形成される可能性がある。

ABSTRACT

Young stars form on a wide range of scales, producing aggregates and clusters with various degrees of gravitational self-binding. The loose aggregates have a hierarchical structure in both space and time that resembles interstellar turbulence, suggesting that these stars form in only a few turbulent crossing times with positions that map out the previous gas distribution. Dense clusters, on the other hand, are often well mixed, as if self-gravitational motion has erased the initial fine structure. Nevertheless, some of the youngest dense clusters also show sub-clumping, so it may be that all stellar clustering is related to turbulence. Some of the densest clusters may also be triggered. The evidence for mass segregation of the stars inside clusters is reviewed, along with various explanations for this effect. Other aspects of the theory of cluster formation are reviewed as well, including many specific proposals for cluster formation mechanisms. The conditions for the formation of bound clusters are discussed. Critical star formation efficiencies can be as low as 10% if the gas removal process is slow and the stars are born at sub-virial speeds. Environmental conditions, particularly pressure, may affect the fraction and masses of clusters that end up bound. Globular clusters may form like normal open clusters but in conditions that prevailed during the formation of the halo and bulge, or in interacting and starburst galaxies today. Various theories for the formation of globular clusters are summarized.

研究の動機と目的

• さまざまなスケール、すなわち散らかった集合体から密度の高い星団にまで及ぶ星団形成の物理的メカニズムを理解すること。
• 星間空間における乱流が、若い恒星系の空間的・時間的組織にどのように影響を与えるかを調査すること。
• 重力的自己束縛とガスの除去が星団の束縛性と生存に与える影響を評価すること。
• 球状星団が形成される条件を探索し、特に初期銀河ハローまたは星形成爆発領域のような高圧環境におけるその起源を検討すること。
• 質量分離の証拠とその星団動的進化に与える影響を評価すること。

提案手法

• 若い恒星集合体および星団からの観測データを分析し、構造的・運動的パターンを同定する。
• 乱流ガス崩壊の理論的モデルを適用し、星形成における階層的クラスタリングを説明する。
• シミュレーションと理論的枠組みを用いて、ガスの除去 timescale が星団の束縛性と星形成効率に与える影響をモデル化する。
• バーリン平衡と準バーリン初期速度の役割を評価し、束縛星団形成に必要な臨界的星形成効率を特定する。
• 現在の星形成爆発銀河と初期ハロー環境の条件を、球状星団形成に必要な条件と比較する。
• 重力不安定性、乱流断片化、誘発形成といった、複数の星団形成メカニズムをレビューする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流ガス力学は、階層的恒星集合体および星団形成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 星団が重力的に束縛されるために必要な星形成効率は何か？ また、ガスの除去 timescale はその条件にどのように影響を与えるか？
• RQ3 密度の高い恒星星団において、重力的平衡が初期の部分構造をどの程度消去するか？
• RQ4 圧力などの環境的要因が、束縛星団の割合と質量分布に与える影響は何か？
• RQ5 球状星団の形成条件は、一般的な散開星団と比べてどのように異なるか？ その起源を説明するメカニズムは何か？

主な発見

• 若い恒星集合体は、星間乱流を反映する階層的構造を示しており、数回の乱流通過時間以内に形成された可能性がある。
• 密度の高い星団では、重力的平衡の証拠が多く見られ、初期の部分構造が時間とともに消去されていることが示唆される。
• ガスがゆっくりと除去され、星が準バーリン速度で形成される場合、10％という低い臨界的星形成効率でも束縛星団を形成できる。
• 星団内での質量分離は観測されており、2体衝突によるエネルギー等分配や2体緩和といった動的プロセスによって説明できる。
• 球状星団は、現在の星形成爆発銀河や初期ハロー環境と同様の条件下で形成される可能性があり、散開星団と同様の起源メカニズムを持つ可能性がある。
• 環境的圧力は、形成される束縛星団の数と質量に顕著な影響を与え、星団形成効率に寄与する。