[論文レビュー] The Dragon-II simulations -- I. Evolution of single and binary compact objects in star clusters with up to 1 million stars

Manuel Arca Sedda, Albrecht Kamlah+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、最大100万個の星を含み、最大33％が連星星を有する19体のN体シミュレーション（Dragon-II）を用いて、ブラックホール（BH）、中性子星、白色矮星といったコンパクトな対象の動的進化を調査した。主な発見は、ブラックホールがBH燃焼の結果、10〜30回のリラクゼーション時間以内に平均質量が15 M⊙未満に低下する、非常に密度が高く長寿命なサブシステムをクラスタ中心部に形成することである。また、二重コンパクト対象を宿す排出連星は、単一のコンパクト対象を宿すものと比較してはるかに重いブラックホール（10〜100 M⊙）を有することが分かった。

ABSTRACT

We present the first results of the extsc{Dragon-II} simulations, a suite of 19 $N$-body simulations of star clusters with up to $10^6$ stars, with up to $33\%$ of them initially paired in binaries. In this work, we describe the main evolution of the clusters and their compact objects (COs). All extsc{Dragon-II} clusters form in their centre a black hole (BH) subsystem with a density $10-100$ times larger than the stellar density, with the cluster core containing $50-80\%$ of the whole BH population. In all models, the BH average mass steeply decreases as a consequence of BH burning, reaching values $\langle m_{ m BH} angle < 15$ M$_\odot$ within $10-30$ relaxation times. Generally, our clusters retain only BHs lighter than $30$ M$_\odot$ over $30$ relaxation times. Looser clusters retain a higher binary fraction, because in such environments binaries are less likely disrupted by dynamical encounters. We find that BH-main sequence star binaries have properties similar to recently observed systems. Double CO binaries (DCOBs) ejected from the cluster exhibit larger mass ratios and heavier primary masses than ejected binaries hosting a single CO (SCOBs). Ejected SCOBs have BH masses $m_{ m BH} = 3-20$ M$_\odot$, definitely lower than those in DCOBs ($m_{ m BH} = 10-100$ M$_\odot$).

研究の動機と目的

• 最大10^6個の星を含む大質量星集団における単一および連星コンパクト対象の動的進化をシミュレートすること。
• 初期の集団特性（例えば連星率や密度）がブラックホールの保持および質量進化に与える影響を調査すること。
• 密な星間環境におけるブラックホール-主系列星および二重コンパクト対象連星の形成、排出、および性質をモデル化すること。
• 質量分離やBH燃焼といった動的過程が、最終的なブラックホール質量関数および空間的分布に与える影響を定量化すること。
• シミュレートされたコンパクト対象集団を、特にNGC3201のような球状星団における観測対象と比較すること。

提案手法

• シミュレーションは、最大10^6個の星を含み、最大33％が初期連星を有する星集団をモデル化するためにNbody6++GPUコードを用いた。
• 初期条件はMcLusterコードを用いて生成され、現実的な星の初期質量関数および連星パラメータを組み込んだ。
• 星の進化は、質量損失、ペア不安定性およびパルス的ペア不安定性超新星、および質量ギャップを伴うブラックホール形成を含む詳細なモデルで追跡した。
• 二体緩和、三体遭遇、連星の硬化といった動的相互作用は、30回のリラクゼーション時間にわたり自己整合的に進化させた。
• コンパクト対象集団は、質量、空間的分布、軌道要素、およびクラスターコアからの排出イベントを追跡することで分析した。
• 単一および連星コンパクト対象を含むが、特にブラックホール-主系列（BH-MS）および二重コンパクト対象（DCOB）連星に注目した。

Figure 1: Initial density, calculated at the half-mass radius, as a function of number of stars for several grids of direct $N$ -body (blue points) and Monte Carlo (red boxes) simulations. The Dragon-II cluster database is represented by the green star.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密な星集団におけるブラックホールは、動的時間スケールで質量および空間的分布の面でどのように進化するか？
• RQ2 BH燃焼や質量分離といった動的過程が、初期ブラックホール質量関数をどの程度変化させるか？
• RQ3 排出されたブラックホール連星の性質は何か？ それらはNGC3201のような観測対象と比較してどう異なるか？
• RQ4 初期連星率が、集団内でのコンパクト対象連星の保持および進化に与える影響は何か？
• RQ5 ブラックホールの形成効率は何か？ それは集団質量およびリラクゼーション時間とどのようにスケーリングするか？

主な発見

• すべてのDragon-II集団は、星の密度よりも10〜100倍高い密度を持つ中心部ブラックホールサブシステムを形成し、コア半径内に全ブラックホール集団の50〜80％が含まれる。
• BH燃焼の結果、平均ブラックホール質量は急激に低下し、初期集団特性にかかわらず10〜30回のリラクゼーション時間以内に15 M⊙未満に低下する。
• 30回のリラクゼーション時間後、集団は30 M⊙未満のブラックホールしか保持せず、これは強い質量分離およびより重い残骸の蒸発を示している。
• 緩い集団では、動的遭遇による連星の破壊が密集した集団よりも起こりにくいため、より高い連星率を維持する。
• 排出されたBH-主系列連星は、低いブラックホール質量（m_BH < 10 M⊙）、短い公軌道周期（<10日）を示し、主に原始的である。これは、現地で形成されたものとは対照的である。
• 排出された二重コンパクト対象連星（DCOB）は、単一コンパクト対象連星（SCOB）とは対照的に、はるかに高い一次質量（10〜100 M⊙）および大きな質量比を示す。SCOBのブラックホール質量は3〜20 M⊙である。

Figure 2: Time evolution of the mass (top panel) and half-mass radius (bottom) of Dragon-II clusters (black lines) compared to observed massive clusters in the Milky Way (MW, blue stars), the two Magellanic Clouds (green squares and red points), the Andromeda galaxy (M31, green squares), the Henize