[論文レビュー] The Fragmentation of Pre-enriched Primordial Objects

Volker Bromm, Andrea Ferrara+2 more|Apr 17, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 62

ひとこと要約

本稿は、原始星形成の初期段階における希土類金属の前処理が、ダークマターのミニハロー内での原始ガスの崩壊および破壊に与える影響を調査している。3次元滑らかさ粒子力学（SPH）シミュレーションを用いて、金属量が臨界閾値（約5×10⁻⁴ Z⊙）を超えると効率的な冷却が可能となり、ディスク構造が形成され、低質量クラスターに分裂するのに対し、金属量が低いガスは冷却に失敗し、圧力で支えられ、『ダークオブジェクト』と呼ばれる状態を形成する。

ABSTRACT

Recent theoretical investigations have suggested that the formation of the very first stars, forming out of metal-free gas, was fundamentally different from the present-day case. In this paper, we study the effect of metallicity on the evolution of the gas in a collapsing dark matter mini-halo. We model such a system as an isolated 3σpeak of mass 2x10^6 M_sun that collapses at z_coll=30, using smoothed particle hydrodynamics. The gas has a supposed level of pre-enrichment of either 10^-4 Z_sun or 10^-3 Z_sun. We find that the evolution proceeds very differently for the two cases. The gas in the lower metallicity simulation fails to undergo continued collapse and fragmentation, whereas the gas in the higher metallicity case dissipatively settles into the center of the dark matter halo. The central gas, characterized by densities n > 10^4 cm^-3, and a temperature, T \sim 90 K, which closely follows that of the CMB, is gravitationally unstable and undergoes vigorous fragmentation. We discuss the physical reason for the existence of a critical metallicity, Z_crit \sim 5x10^-4 Z_sun, and its possible dependence on redshift. Compared to the pure H/He case, the fragmentation of the 10^-3 Z_sun gas leads to a larger relative number of low-mass clumps.

研究の動機と目的

• 原始星形成の初期段階におけるダークマターのミニハロー内での原始ガスの崩壊および破壊に与える希土類金属の前処理の影響を特定すること。
• 金属冷却が効果を失い、星形成が抑制される金属量の臨界閾値を同定すること。
• 初期宇宙構造における巨大第一星族星（Pop III）の形成から、低質量で金属冷却支配の星形成への移行を調査すること。
• この移行が、巨大ブラックホールの形成および銀河間媒体の化学的豊度に与える影響を検討すること。

提案手法

• 赤方偏移z ≈ 30で崩壊する質量2×10⁶ M⊙の3σダークマターピークを、滑らかさ粒子力学（SPH）を用いてシミュレートした。
• H₂がソフトなUV背景放射によって放射冷却的に破壊されるものと仮定し、ガスの前処理金属量をZ = 10⁻⁴ Z⊙およびZ = 10⁻³ Z⊙としてモデル化した。
• 10⁴ K未満の温度領域ではH₂が存在しないため、金属線冷却モデルを唯一の冷却機構として適用した。
• 密度の高い中心領域における原始星核の成長と分裂を追跡するために、シンク粒子法を用いた。
• 放射冷却および加熱を含むエネルギー方程式を解き、低金属量条件下で関連する原子およびイオン種から冷却率を計算した。
• 中心ガス分布における重力不安定性および分裂を解像するために、3次元シミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属冷却が原始ガスの分裂を誘発しなくなる金属量の臨界閾値は何か？
• RQ2 金属量が、ダークマターハロー内の前処理原始ガスの力学的進化および崩壊効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 原始ガス雲が低質量クラスターに分裂するのか、それとも圧力で支えられる『ダークオブジェクト』として安定するのかを決定づける要因は何か？
• RQ4 H₂冷却が欠如する純粋なH/Heガスと比較して、金属の存在が分裂パターンにどのように影響を与えるか？
• RQ5 この金属量閾値が、巨大ブラックホールの形成および初期宇宙の化学的進化に与える影響は何か？

主な発見

• Z = 10⁻³ Z⊙のシミュレーションでは、ガスが効率的に冷却され、中心部に約25個の高密度クラスターに分裂するディスク構造に崩壊した。
• 中心ガスは密度nH ≥ 10⁴ cm⁻³に達し、宇宙マイクロ波背景放射の温度（約90 K）とよく一致した。
• 一方、Z = 10⁻⁴ Z⊙のシミュレーションでは、冷却が不十分で、圧力で支えられ、分裂も起こらず、安定した球状の『ダークオブジェクト』が形成された。
• 金属冷却が効果を失い、分裂が抑制される臨界金属量閾値Zcrit ≈ 5×10⁻⁴ Z⊙が特定された。
• 臨界金属量は赤方偏移やハロー質量に依存する可能性があり、低赤方偏移やより大きな系ではより高い値が期待される。
• 結果から、Z > Zcritを有するガスのみが金属冷却を介して低質量星を形成可能であり、低金属量ガスは巨大星を形成するか、分裂せずに残存する可能性があると示唆された。