[論文レビュー] On the Dynamical Evolution of the Arches Cluster

Sourav Chatterjee, Sanghamitra Goswami+4 more|ArXiv.org|Nov 8, 2009

Material Science and Thermodynamics参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、N体シミュレーションを用いて、アーチェス星団の観測された質量分離と過剰な初期質量関数（IMF）が原始的であるのか、それとも動的進化によって生じたものであるのかを調査する。標準的なKroupa IMFに原始的分離なしでは、現在の質量分離を再現できないが、原始的質量分離を伴うIMFでは、2–3 Myrのうちに衝突連鎖反応が発生し、星風による質量損失に応じて非常に巨大星（VMS）または中等質量ブラックホール（IMBH）が形成される可能性がある。

ABSTRACT

We study the dynamical evolution of the young star cluster Arches and its dependence on the assumed initial stellar mass function (IMF). We perform many direct $N$-body simulations with various initial conditions and two different choices of IMFs. One is a standard Kroupa IMF without any mass segregation. The other is a radially dependent IMF, as presently observed in the Arches. We find that it is unlikely for the Arches to have attained the observed degree of mass segregation at its current age starting from a standard non-segregated Kroupa IMF. We also study the possibility of a collisional runaway developing in the first $\sim 2-3 m{Myr}$ of dynamical evolution. We find that the evolution of this cluster is dramatically different depending on the choice of IMF: if a primordially mass segregated IMF is chosen, a collisional runaway should always occur between $2-3 m{Myr}$ for a broad range of initial concentrations. In contrast, for a standard Kroupa IMF no collisional runaway is predicted. We argue that if Arches was created with a mass segregated IMF similar to what is observed today then at the current cluster age a very unusual, high-mass star should be created. However, whether a collisional runaway leads to the formation of an intermediate-mass black hole (IMBH) depends strongly on the mass loss rate via winds from massive stars. Growth of stellar mass through collisions can be quenched by strong wind mass loss. In that case, the inter-cluster as well as intra-cluster medium are expected to have a significant Helium enrichment which may be observed via Helium recombination lines. The excess amount of gas lost in winds may also be observed via X-ray observations as diffused X-ray sources.

研究の動機と目的

• アーチェス星団の観測された質量分離が、動的進化の結果であるのか、それとも原始的形成条件に起因するのかを特定すること。
• 特にアーチェス星団で観測された半径依存のIMFが、動的進化および衝突連鎖反応に与える影響を評価すること。
• アーチェス星団の推定年齢2±1 Myrの範囲内で、衝突連鎖反応が非常に巨大星（VMS）または中等質量ブラックホール（IMBH）を形成する可能性を調査すること。
• このような連鎖反応の観測的痕跡（例：ヘリウムの増加、星風からのX線放射）を評価すること。

提案手法

• 標準的で分離のないKroupa IMFと、現在の観測と一致する半径依存の質量分離を示すIMFを用いた、アーチェス星団の直接N体シミュレーションを、初期条件を変えて実施する。
• プレ星核（PSC）からの星形成をパラメトリックモデルで再現し、星団中心部の核密度が高いことでPSC同士の衝突が増加し、結果として質量の大きな星の形成が優位になるように設定する。
• 時間経過に伴う星の衝突と質量増加の進化を追跡し、特に衝突連鎖反応の発生と進行を重点的に分析する。
• Glebbeekら（2009）の星風による質量損失の定式化を適用し、衝突生成物の進化をモデル化し、質量損失率とヘリウムの増加を推定する。
• 非常に巨大星（VMS）、中等質量ブラックホール（IMBH）の形成可能性と、それに関連する観測的痕跡（再結合線、X線放射など）をシミュレーションする。
• 衝突シーケンスの統計的ゆらぎを分析し、二重衝突連鎖反応や二重星形成の頑健性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的で分離のないKroupa IMFから出発した場合、現在のアーチェス星団における質量分離の程度は、動的進化によって説明可能か？
• RQ2 原始的質量分離を伴うIMFでは、星団の推定年齢と整合的に、最初の2–3 Myrの間に衝突連鎖反応が発生するか？
• RQ3 アーチェス星団において、衝突連鎖反応が非常に巨大星（VMS）または中等質量ブラックホール（IMBH）を形成する可能性はどの程度か？
• RQ4 強い星風が、衝突による巨大星の成長にどのように影響するか。また、その結果として生じる観測的痕跡（例：ヘリウムの増加、X線放射）は何か？
• RQ5 初期条件とIMFから、ピストル型の星や二重衝突連鎖反応の存在を予測できるか？

主な発見

• 標準的で分離のないKroupa IMFでは、現在の年齢におけるアーチェス星団の観測された質量分離度を再現できない。
• 原始的質量分離を伴うIMFでは、さまざまな初期濃度条件下でも、2〜3 Myrの間で一貫して衝突連鎖反応が開始される。
• 質量分離IMFを用いたシミュレーションでは、原始的二重星が存在しない場合でも、高質量星の供給源が増加するため、二重衝突連鎖反応が発生する。
• 星風による質量損失が強い場合、VMSの形成は抑制され、$X_{He,S} > 0.9$ を満たすヘリウムを豊富に含む星が形成され、星団および周囲媒体がヘリウムで豊かになる。
• 放出されたヘリウムを豊富に含むガスは、星団中心から3–7 pc以上の距離で再結合線を介して検出可能である可能性がある。
• X線観測により、星風物質に起因する拡散的X線放射が検出され、衝突連鎖反応の間接的証拠となる可能性がある。