[論文レビュー] On the dissolution of evolving star clusters

Simon Portegies Zwart, Piet Hut+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 1998

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、星の進化および銀河の潮汐場を含む高解像度N体シミュレーションを用いて、星団の崩壊を調査した。その結果、Fokker-Planckモデルは、星の進化時間スケールが動的時効スケールと同等である場合、動的平衡の仮定が不適切であるため、星団の寿命を最大で1桁分、著しく低く見積もっていることが明らかになった。著者らは、N体シミュレーションが約4 Gyrの寿命を示すのに対し、同様の星団に対してFokker-Planckモデルは約0.28 Gyrの寿命を予測することを示した。

ABSTRACT

Using direct N-body simulations which include both the evolution of single stars and the tidal field of the parent galaxy, we study the dynamical evolution of globular clusters and rich open clusters. We compare our results with other N-body simulations and Fokker-Planck calculations. Our simulations, performed on the GRAPE-4, employ up to 32,768 stars. The results are not in agreement with Fokker-Planck models, in the sense that the lifetimes of stellar systems derived using the latter are an order of magnitude smaller than those obtained in our simulations. For our standard run, Fokker-Plank calculations obtained a lifetime of 0.28 Gyr, while our equivalent N-body calculations find about 4 Gyr. The principal reason for the discrepancy is that a basic assumption of the Fokker-Plank approach is not valid for typical cluster parameters. The stellar evolution timescale is comparable to the dynamical timescale, and therefore the assumption of dynamical equilibrium leads to an overestimate of the dynamical effects of mass loss. Our results suggest that the region in parameter space for which Fokker-Planck studies of globular cluster evolution, including the effects of both stellar evolution and the galactic tidal field, are valid is limited. The discrepancy is largest for clusters with short lifetimes.

研究の動機と目的

• 直接N体シミュレーションを用いて、球状星団および豊富な開放星団の動的進化および崩壊時効スケールを調査すること。
• 星の進化および銀河の潮汐場の影響を踏まえて、N体シミュレーションの結果とFokker-Planckモデルを比較すること。
• 星の進化時間スケールが動的時効スケールと同等である場合、Fokker-Planck手法の限界を特定すること。
• Fokker-Planckモデルが星団進化の研究において有効であるとされるパラメータ空間を特定すること。
• Fokker-Planck予測と直接N体シミュレーションとの間の、星団寿命推定における乖離を定量化すること。

提案手法

• GRAPE-4スーパーコンピュータを用いて、星の進化および母銀河の潮汐場を含む直接N体シミュレーションを実施した。
• 最大32,768個の星を含むシミュレーションにより、高解像度と正確な力学を達成した。
• 質量損失とその力学的影響を考慮した現実的な星の進化モデルを実装した。
• 銀河の潮汐場を適用して、星団進化に影響を与える外部ポテンシャルを模擬した。
• 同一の初期条件の下で、シミュレーション結果とFokker-Planck計算を比較した。
• N体シミュレーションの結果をベンチマークとして、Fokker-Planck近似が星団力学においてどの程度有効であるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜFokker-Planckモデルは直接N体シミュレーションよりも著しく短い星団寿命を予測するのか？
• RQ2 星の進化時間スケールが動的時効スケールと同等である場合、動的平衡の仮定がどの程度崩壊するのか？
• RQ3 星の進化と銀河の潮汐場が、星団の崩壊時効スケールにどのように共同で影響を与えるのか？
• RQ4 星の進化を含む完全なN体力学でシミュレートした場合、一般的な球状星団の真の寿命は何か？
• RQ5 Fokker-Planckモデルが星団進化のモデリングにおいてまだ信頼できるパラメータ空間の領域はどこか？

主な発見

• Fokker-Planckモデルは星団寿命を0.28 Gyrと予測するが、同等のN体シミュレーションでは約4 Gyrの寿命が得られ、これにより1桁近くの乖離が生じている。
• 乖離の主な原因は、星の進化時間スケールが動的時効スケールと同等である場合、Fokker-Planckモデルが動的平衡の仮定を不適切に適用していることにある。
• 質量損失に起因する動的効果の過大評価により、Fokker-Planckモデルでは人工的な蒸発が加速され、早期の崩壊予測がなされている。
• この乖離は、寿命が短い星団で顕著であり、その場合、動的時効スケールと進化時効スケールが最も類似している。
• したがって、星の進化が重要な役割を果たす状況では、Fokker-Planckモデルは一般に星団進化の研究に有効ではない。
• 本研究は、星の進化と力学の両方が密接に結びついた系において、N体シミュレーションが正確な寿命予測に不可欠であることを確立した。