[論文レビュー] Runaway Collisions in Star Clusters

Simon Portegies Zwart, Junichiro Makino+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、星および連星の進化を組み込んだ高精度なN体シミュレーションを用いて、R136、アーチェス、クインタプレットのような高密度で若い星団で、連続的な星の衝突が一般的に発生することを示した。衝突率は初期のリラクゼーション時間の逆数に比例し、1 Myrのリラクゼーション時間を有する星団では、1星あたり約2.2×10⁻⁴回/Myrに達する。これは、このような衝突が、比較的小さな系ですら星団の進化に顕著な影響を与えることを示している。

ABSTRACT

We study the occurrence of physical collisions between stars in young and compact star cluster. The calculations are performed on the GRAPE-4 with the starlab software environment which include the dynamical evolution and the nuclear evolution of all stars and binaries. The selection of the initial conditions is based on existing and well observed star clusters, such as R136 in the 30 Doradus region in the Large Magellanic Cloud and the Arches and Quintuplet star clusters in the vicinity of the Galactic center. Collisions between stars occurred rather frequently in our models. At any time a single star dominates the collision history of the system. The collision rate of this runaway merger scales with the initial relaxation time of the cluster and is independent on other cluster parameters, such as the initial mass function or the initial density profile of the cluster. Subsequent encounters result in a steady grow in mass of the coagulating star, until it escapes or explodes in a supernova. The collision rate in these models is about 0.00022 collisions per star per Myr for a cluster with an initial relaxation time of 1 Myr.

研究の動機と目的

• R136、アーチェス、クインタプレットのような高密度で若い星団で、物理的星衝突が頻繁に発生するかどうかを調査すること。
• 初期リラクゼーション時間が比較的小さい系であっても、連続的衝突プロセスが星団の進化を支配する可能性があるかどうかを特定すること。
• 星衝突が星団の動的および進化的進化に与える影響、特に質量の大きな星やブラックホールの形成を評価すること。
• 直接的なN体シミュレーションを用いて、星衝突が稀で無視できるとされる従来の仮定に挑戦し、星および連星の完全な進化を組み込んだものとする。
• 衝突率を定量化し、リラクゼーション時間、質量関数、密度プロファイルなどの星団パラメータへの依存関係を明らかにすること。

提案手法

• GRAPE-4専用コンピュータを用いた高速統合を実行するStarlabソフトウェア環境を用いたN体シミュレーション。
• 自己一貫的な星および連星進化（SeBaを介して）と、星進化と星団ダイナミクスの間の動的フィードバックを組み込み。
• 観測された星団（R136、アーチェス、クインタプレット）に基づく初期条件。星の数（1k〜32k）、リラクゼーション時間、初期質量関数を変化させた。
• 衝突率の主なスケーリングパラメータとしてリラクゼーション時間を用い、初期密度プロファイル（W₀ = 1〜7のHeggie-Ramamaniモデル）を変化させたモデルを実行。
• 銀河潮汐場の組み込みと、変動する質量損失を伴う超新星爆発の取り扱いにより、脱出およびブラックホール形成を評価。
• 衝突履歴、中心物体の質量増加、超新星からの質量損失に起因する星団の拡張の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な初期条件を有する高密度で若い星団で、物理的星衝突の実際の発生率はどの程度か？
• RQ2 1つの星が連続的衝突を経験するのか。もしそうならば、その衝突率は何かによって決定されるのか？
• RQ3 衝突率は、リラクゼーション時間、初期質量関数、密度プロファイルなどの星団パラメータにどのように依存するか？
• RQ4 星衝突は、コアの拡張や最終的な解体を含め、星団の動的進化にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 衝突によって生まれた質量の大きな星の残骸は、その後どうなるのか。特に、さらなる衝突によって成長を続けるブラックホールが形成されるのか？

主な発見

• 1星あたりの衝突率は、$ \mathcal{R}_{\rm coll} = 2.2 \times 10^{-4} \, t_{\rm rlx}^{-1.0} \, [\text{Myr}^{-1}] $ と表され、$ t_{\rm rlx} $ はMyr単位で表される。これは初期リラクゼーション時間に強く依存することを示している。
• 各星団において、1つの星が衝突履歴を支配しており、反復的な衝突によって質量が増加し、最終的に超新星爆発を起こすか、脱出する。
• 10⁷個未満の星を有する星団であっても、連続的衝突が発生する。これは、従来の仮定とは対照的であり、非常に大きな質量を必要とするとは限らないことを示している。
• 複数回の衝突によって生まれた質量の大きな星は、他の星と明確に質量で分離されており、非常に質量の大きな星またはブラックホールとして観測可能である可能性がある。
• 衝突によって生まれた星の超新星爆発が、顕著な質量損失を伴うと、星団から脱出する可能性があるが、質量損失が最小限の場合は、その後もコアに留まり、さらなる衝突によって成長を続けるブラックホールが形成される。
• 超新星からの質量損失に起因するコアの拡張が、衝突効率を最終的に終了させ、連続的衝突フェーズの持続時間が数×10 Myrに制限されることになる。