[論文レビュー] The Fundamental Building Blocks of Galaxies

Pavel Kroupa|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2004

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、特にO型星を有する若年期でガスを噴出する星団が、ガス放出後に超Virial速度分散を示すことにより、急速に拡張し、銀河内の恒星運動学を駆動するメカニズムを提案する。この機構は、のちに銀河の厚いディスクの形成を説明するための代替的起源を提供する。

ABSTRACT

Most stars form in compact, dense embedded clusters with memberships ranging from a dozen stars to many millions of stars. Embedded clusters containing more than a few hundred stars also contain O stars that disrupt the nebula abruptly. There are observational indications that the expulsion of gas from such clusters may occur within, or even quicker than, a stellar crossing-time scale. Because the star-formation efficiency is empirically deduced to be typically lower than 40 per cent, such clusters are left severely out of dynamical equilibrium with a super-virial velocity dispersion when they are exposed. As a consequence, they expand drastically. The velocity dispersion of expanding star-burst clusters may achieve values of a few tens km/s, which would have a significant impact on the stellar velocity distribution function and therefore the morphology of a galaxy. An application of these ideas to the vertical structure of the Milky Way (MW) disk suggests that such popping star clusters may constitute the missing heat source for understanding the age-velocity-dispersion relation. If the early MW disk experienced a vigorous epoch of star formation then perhaps even the thick disk may have formed from popping clusters. Thus we have an alternative hypothesis to understanding thick disks which does not rely on, or may act in addition to, sinking galaxy satellites or sinking cosmological sub-structures. The GAIA mission will test this hypothesis by allowing the kinematical fields around young clusters to be mapped to exquisite precision.

研究の動機と目的

• 若年期でガスを含む星団の力学的進化が銀河の運動学的性質および構造に与える影響を調査すること。
• オリオン星団（ONC）やR136のような若年期星団で観測された超Virial速度分散が、太陽系近傍における観測された年齢-速度分散関係を説明できるかどうかを評価すること。
• 銀河の厚いディスクの形成が、単に衛星合体に起因するのではなく、拡張する星団による力学的加熱によって説明できるかどうかを検証すること。
• 時間的に変化する星団質量関数が銀河の構造および運動学的性質に与える影響を調査すること。
• GAIAミッションによる高精度天体測定を用いたこの仮説の検証に向けた基盤を築くこと。

提案手法

• Taurus、ρ Oph、ONC、R136、Antennaeなどの若年期埋蔵星団の観測データを分析し、通過時間（$t_{\rm cr}$）と緩和時間（$t_{\rm rel}$）を推定し、星団年齢と比較する。
• 40%未満の実証的星形成効率を用いて、ガス放出後に星団が超Virial平衡状態に置かれることが示唆され、急速な拡張が生じることを推論する。
• Virial定理を適用し、ガス放出前の星団質量および半径に基づいて、放出後の速度分散を推定する。
• 星団で形成された星の集団の運動学的進化をモデル化し、時間的に変化する銀河ポテンシャル内での速度分布関数 $\mathcal{D}(v_x,v_y,v_z)$ を計算する。
• N体シミュレーションおよび流体力学的モデルを用いて初期星団形成およびフィードバックの理解を図るが、完全な物理モデル化の限界を認識している。
• GAIAが、拡張する移動群の速度分散と星団質量の相関 $\sigma_{\rm MGI} = \mathcal{K}_{\rm obs}(M_{\rm cl})$ を測定できると提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ONC や R136 のような若年期星団で観測された超Virial速度分散は、爆発的ガス放出によって説明可能か？
• RQ2 拡張する星団が、のちに銀河の薄いディスクにおける年齢-速度分散関係をどの程度説明できるか？
• RQ3 のちに銀河の厚いディスクは、かつての激しい星形成期に形成された大質量で拡張する星団による力学的加熱の自然な結果として生じたものか？
• RQ4 埋蔵星団の時間的に変化する質量関数が、銀河ディスクの長期的運動学的構造にどのように影響するか？
• RQ5 GAIAミッションは、拡張する星集団における予測された質量-速度分散相関を検出できるか？

主な発見

• ONC や R136 のような若年期星団は、ガス放出後に超Virial速度分散を示しており、これはガス放出後に力学的平衡状態でないことを示している。
• 爆発的ガス放出は、通過時間と同等またはそれ以下の timescale で発生し、急速な拡張と数10 km/s の速度分散を引き起こす。
• 太陽系近傍で観測された速度分散は、拡張する星団による累積的加熱によって説明可能であり、年齢-速度分散関係における欠落した熱源である可能性がある。
• 厚いディスクは、かつての激しい星形成期にこのような拡張星団が形成された結果、自然に形成された可能性があり、衛星合体シナリオとは異なる代替的説明を提供する。
• 埋蔵星団の質量関数は時間とともに変化しており、星形成率の低下に伴い最大星団質量が減少したとみられ、観測結果と整合的である。
• GAIAは、拡張する星集団における星団質量と速度分散の予測相関を検証できると予想され、モデルの主要な実証的検証となる。