[論文レビュー] The first stars: formation, properties, and impact

Ralf S. Klessen, Simon C. O. Glover|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 11

ひとこと要約

Population III星の形成、分裂、質量分布、フィードバック効果、および観測制約を網羅的にレビューし、超大質量Population III星の役割と間接探査を含む。

ABSTRACT

The first generation of stars, often called Population III (or Pop III), form from metal-free primordial gas at redshifts 30 and below. They dominate the cosmic star formation history until redshifts 15 to 20, at which point the formation of metal-enriched Pop II stars takes over. We review current theoretical models for the formation, properties and impact of Pop III stars, and discuss existing and future observational constraints. Key takeaways from this review include the following: (1) Primordial gas is highly susceptible to fragmentation and Pop III stars form as members of small clusters with a logarithmically flat mass function. (2) Feedback from massive Pop III stars plays a central role in regulating subsequent star formation, but major uncertainties remain regarding its immediate impact. (3) In extreme conditions, supermassive Pop III stars can form, reaching masses of several 10^5 Msun. Their remnants may be the seeds of the supermassive black holes observed in high-redshift quasars. (4) Direct observations of Pop III stars in the early Universe remain extremely challenging. Indirect constraints from the global 21cm signal or gravitational waves are more promising. (5) Stellar archeological surveys allow us to constrain both the low-mass and the high-mass ends of the Pop III mass distribution. Observations suggest that most massive Pop III stars end their lives as core-collapse supernovae rather than as pair-instability supernovae.

研究の動機と目的

• 初期宇宙におけるPop III星形成を支配する形成環境と物理過程を要約する。
• Pop III星の分裂、多様性、および初期質量関数を特徴づける。
• 放射、化学、機械的フィードバック機構を評価し、それらがPop II星形成への移行に果たす役割を明らかにする。
• 超大質量Pop III星などの極端な結末とそれらのブラックホール残骸について議論する。
• Pop III特性を制約する現在および将来の観測探査を概説する。

提案手法

• 標準的なLambda-CDMフレームワーク内で理論モデルと数値シミュレーションを総合する。
• 崩壊の臨界質量と、それが赤方偏移、ストリーミング速度、および冷却物理（H2、HD、Lyman-α）への依存性。
• Jeans mass (Eq. 3)、cooling vs. free-fall vs. Hubble timescales (Eq. 4)、and effective sound speed with turbulence and magnetic fields (Eq. 6) を取り入れる。
• 標準的なPop III形成経路（Pop III.1とPop III.2）、H2形成、三体H2形成、および熱進化を説明する（図と本文参照）。
• 放射的、化学的、機械的フィードバックプロセスを検討し、Pop II星形成への移行（セクション4）を考察する。
• 高赤方偏移宇宙と局所宇宙の観測探査（5）および重力波信号（5.3）について議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プリミティブガスがminihalosとatomic-cooling halosで崩壊する条件は何か？
• RQ2 標準的な形成経路において、分裂がPop IIIの初期質量関数および多産性にどのように影響するか？
• RQ3 Pop III星からの支配的なフィードバック機構は何であり、それらがその後の星形成をどのように調整するか？
• RQ4 どの条件下でsupermassive Pop III starsが形成され得るか、またそれらの残骸が高赤方偏移の超大質量ブラックホールの種となり得るか？
• RQ5 どのような観測的兆候（直接、間接、重力波）がPop IIIの性質とPop III–Pop II遷移を制約できるか？

主な発見

• 原初ガスは高度に分裂を起こしやすく、小さなクラスターでPop III星が形成され、質量関数は広く対数的に平坦になる。
• 巨大なPop III星からのフィードバックはその後の星形成を決定的に規制するが、即時の影響は不確かである。
• 極端な条件下で、超大質量Pop III星は masses up to several 10^5 solar masses に達する可能性があり、潜在的にhigh-redshift SMBHsの種となる。
• 初期宇宙におけるPop III星の直接観測は極めて困難であり、間接的 probes（21 cm信号、重力波）がより有望である。
• stellar archaeologyはPop III IMFの低質量端と高質量端の両方を制約し、多くの巨大なPop III星ではpair-instability SNよりcore-collapse SNの結果が観測上支持される。