[論文レビュー] The evolution of two stellar populations in globular clusters I. The dynamical mixing timescale

T. Decressin, Holger Baumgardt+1 more|ArXiv.org|Oct 29, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 59被引用数 46

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、2体緩和による動的混合が、球状星団における観測された化学的に異常な星の高割合を説明できるかを調査している。中心に集中した第二世代星を想定しても、約2つのリラクゼーション時間（数ギガ年）で半径方向の均一化が進行し、星の人口比はたった2.5倍にしか増加しない。これは、より効率的な質量損失メカニズム（例えば初期のガス放出）を想定しない限り、観測結果を説明するには不十分である。

ABSTRACT

We investigate the long-term dynamical evolution of two distinct stellar populations of low-mass stars in globular clusters in order to study whether the energy equipartition process can explain the high number of stars harbouring abundance anomalies seen in globular clusters. We analyse N-body models by artificially dividing the low-mass stars (m<0.9 Msun) into two populations: a small number of stars (second generation) consistent with an invariant IMF and with low specific energies initially concentrated towards the cluster-centre mimic stars with abundance anomalies. These stars form from the slow winds of fast-rotating massive stars. The main part of low-mass (first generation) stars has the pristine composition of the cluster. We study in detail how the two populations evolve under the influence of two-body elaxation and the tidal forces due to the host galaxy.Stars with low specific energy initially concentrated toward the cluster centre need about two relaxation times to achieve a complete homogenisation throughout the cluster. For realistic globular clusters, the number ratio between the two populations increases only by a factor 2.5 due to the preferential evaporation of the population of outlying first generation stars. We also find that the loss of information on the stellar orbital angular momentum occurs on the same timescale as spatial homogenisation.

研究の動機と目的

• 動的過程（例えば2体緩和）が、球状星団で観測された化学的に異常な星の高頻度を自然に説明できるかどうかを明らかにすること。
• 初期に中心に集中した第二世代星の空間的分離が、エネルギー等分配および銀河の潮汐力の影響を受けて時間とともに消失するかどうかを評価すること。
• 最初の星形成系列の質量関数（IMF）が不変であるという仮定の下で、球状星団の観測された元素異常比を再現できるかどうかを評価すること。
• 初期のガス放出が、観測結果と一致する十分な第二世代星の形成を可能にする役割を果たすかどうかを調査すること。
• 古い球状星団において、初期の動的情報（例えば角運動量や半径分布）が失われる時間スケールを明確にすること。

提案手法

• 球状星団のN体シミュレーションを用い、低質量星（m ≤ 0.9 M☉）を人工的に2つの人口に分類した：最初の星形成系列（純粋な組成）と第二の星形成系列（高速回転星の遅い風による元素異常）。
• 第二世代星は、質量関数の高い星が赤道方向に放出する物質に由来するものとして、初期に低い比エネルギーと中心に集中するように設定された。
• 数ギガ年にわたる長期的動的進化を再現するため、2体緩和と母銀河からの潮汐力がモデル化された。
• 半径分布、エネルギー等分配、人口比の進化を追跡し、均一化と好ましい蒸発の程度を評価した。
• 初期の角運動量および半径構造の喪失に要する時間スケールを定量化し、半径均一化の時間スケールと比較した。
• シミュレーションでは最初の星形成系列に標準的なSalpeter IMFを仮定し、観測された人口比と照らし合わせて第二世代星の割合を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2体緩和による動的混合だけでは、球状星団で観測された化学的に異常な星の高割合を説明できるか？
• RQ2 初期にクラスタ中心に集中していた第二世代星が、第一世代星と空間的に均一化するまでにどのくらいの時間がかかるか？
• RQ3 潮汐力が、より高い比エネルギーを持つ第一世代星の好ましい蒸発に与える影響は何か？ そして、最終的な人口比にどのような影響を与えるか？
• RQ4 初期の角運動量といった動的情報の喪失は、半径均一化と同程度の時間スケールで起こるか？
• RQ5 観測された異常星と通常星の人口比は、不変のIMFと整合するか？ もし整合しない場合、より効率的な質量損失メカニズムが必要か？

主な発見

• 初期に低い比エネルギーでクラスタ中心に集中していた星は、約2つのリラクゼーション時間（数ギガ年）を要して、第一世代星と完全に半径方向に均一化する。
• クラスタの生涯を通じて、第一世代星が外縁部で好ましく蒸発するため、第二世代星と第一世代星の人口比はたった2.5倍にしか増加しない。
• 初期の動的情報（例えば軌道の角運動量）の喪失に要する時間スケールは、半径均一化の時間スケールと同等であり、約2つのリラクゼーション時間後に初期の運動学的および空間的構造がすべて消失することが示された。
• 観測された化学的に異常な星の高割合（例：NGC 6752では約85％）は、不変のIMFのもとでは再現できない。 これは、より効率的な質量損失メカニズムが存在しない限り成立しない。
• 標準的なIMFと観測結果を一致させるには、星風（例えばOB星から生じる）による初期のガス放出が必要であり、これにより外縁部の物質が短時間で除去され、十分な第二世代星の形成が可能になる。
• 結果として、観測された元素異常比を説明するには、動的過程だけではなく、初期ガス放出のようなメカニズムが必要であることが示唆された。動的過程だけでは不十分である。