[논문 리뷰] A dearth of short-period massive binaries in the young massive star forming region M17: Evidence for a large orbital separation at birth?

H. Sana, M. C. Ramírez-Tannus외 4명|Lirias (KU Leuven)|2017. 02. 07.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 45인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 매우 어린 M17 별성립지역(연령 <1 Myr) 내 11개의 질량이 큰 전주계성 및 근주계성에서 관측된 낮은 경사도 속도 분산(σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹)을 분석하여 이들의 이중성 성질을 제약한다. 합성 인구 모델링을 통해 관측된 분산이 높은 이중성 비율이나 짧은 궤도 주기의 이중성과는 일치하지 않음을 발견하였으며, 이는 질량이 큰 별들이 더 큰 궤도 분리 상태에서 탄생하고 이후 이동을 통해 오래된 OB 연합에서 관측되는 조밀한 이중성 분포와 일치하도록 경화될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The formation of massive stars remains poorly understood and little is known about their birth multiplicity properties. Here, we investigate the strikingly low radial-velocity dispersion measured for a sample of 11 massive pre- and near-main-sequence stars (sigma_rv = 5.6 +/- 0.2 km/s) in the young massive star forming region M17 to obtain first constraints on the multiplicity properties of young massive stellar objects. Methods: We compute the RV dispersion of synthetic populations of massive stars for various multiplicity properties and we compare the simulated sigma_rv distributions to the observed value. We specifically investigate two scenarios: a low binary fraction and a dearth of short-period binary systems. Results: Simulated populations with low binary fractions (f_bin = 0.12_{-0.09}^{+0.16}) or with truncated period distributions (P_cutoff &gt; 9 months) are able to reproduce the low sigma_rv observed within their 68%-confidence intervals. Parent populations with f_bin &gt; 0.42 or P_cutoff &lt; 47 d can however be rejected at the 5%-significance level. Both constraints are contrast with the high binary fraction and plethora of short-period systems found in few Myr-old, OB-type populations. To explain the difference, the first scenario requires a variation of the outcome of the massive star formation process. In the the second scenario, compact binaries must form later on, and the cut-off period may be related to physical length-scales representative of the bloated pre-main-sequence stellar radii or of their accretion disks. Conclusions: If the obtained constraints are representative of the overall properties of massive young stellar objects, our results may provide support to a formation process in which binaries are initially formed at larger separations, then harden or migrate to produce the typical (untruncated) power-law period distribution observed in few Myr-old OB binaries.

연구 동기 및 목표

• 극도로 어린 M17 별성립지역(연령 <1 Myr) 내 질량이 큰 젊은 별형 객체(mYSOs)의 이중성 성질을 정량화하는 것.
• 11개의 질량이 큰 별들에서 관측된 낮은 경사도 속도 분산(σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹)이 오래된 OB형 인구의 알려진 이중성 성질과 일치하는지 확인하는 것.
• 낮은 분산이 낮은 이중성 비율 또는 짧은 주기의 이중성 부족(특히 주기 <9개월)으로 인한 것인지 테스트하는 것.
• 관측된 제약 조건이 질량이 큰 이중성이 더 큰 분리 상태에서 형성되고 이후 이동을 통해 경화된다는 것을 시사하는지 탐색하는 것.
• M17에서의 궤도 주기 분포의 잘린 형태가 별 형성 과정의 물리적 척도(예: 주계성 전 별의 반지름 또는 물질 붕괴 디스크 크기)를 반영하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 다양한 이중성 비율(f_bin)과 주기 분포(P_cutoff)를 가진 질량이 큰 별의 합성 인구를 시뮬레이션하여 관측된 경사도 속도 분산을 재현하는 것.
• 각 합성 인구에 대해 일차원 경사도 속도 분산(σ₁D)을 계산하고, 관측된 값(5.6 ± 0.2 km s⁻¹)과 통계적 신뢰구간을 사용하여 비교하는 것.
• 68% 신뢰구간을 사용하여 데이터와 일치하는 이중성 모델을 평가하고, 이 구간 외부에 위치하는 모델은 기각하는 것.
• 두 주요 시나리오를 테스트하는 것: (1) 낮은 이중성 비율(f_bin < 0.42), (2) 잘린 주기 분포(P_cutoff > 47일).
• 오랜(수 Myr) OB형 인구의 관측된 이중성 성질과 비교하는 것.
• 유도된 P_cutoff ≈ 8년 또는 P_cutoff > 9개월이 주계성 전 별의 반지름(~100 R⊙) 또는 물질 붕괴 디스크 크기(~10 AU)와 관련이 있는지 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M17에서 관측된 낮은 경사도 속도 분산(σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹)은 오래된 OB 연합에서 관측된 높은 이중성 비율과 짧은 주기 이중성의 존재와 일치하는가?
• RQ2 관측된 분산은 낮은 이중성 비율(f_bin < 0.42) 또는 잘린 주기 분포(P_cutoff > 9개월)로 설명될 수 있는가?
• RQ3 M17에서 짧은 주기 이중성이 부족한 것은 질량이 큰 별들이 이전에 상정된 것보다 더 큰 궤도 분리 상태에서 탄생한다는 것을 시사하는가?
• RQ4 관측된 주기 절단점(P_cutoff ≈ 8년 또는 >9개월)은 주계성 전 별의 크기 또는 물질 붕괴 디스크 크기와 물리적으로 관련이 있는가?
• RQ5 만약 M17 인구가 더 이른 진화 단계를 대표한다면, 이는 약 1 Myr 이내에 넓은 이중성을 조밀한 시스템으로 변형시키는 이동 또는 경화 과정을 암시하는가?

주요 결과

• 68% 신뢰구간 내에서 낮은 이중성 비율(f_bin = 0.12⁻⁰.⁰⁹⁺⁰.¹⁶)은 관측된 경사도 속도 분산(σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹)과 일치한다.
• P_cutoff > 9개월인 잘린 주기 분포도 관측된 분산과 일치하며, 짧은 주기 이중성의 부족을 시사한다.
• f_bin > 0.42 또는 P_cutoff < 47일인 이중성 비율과 주기 절단 모델은 5% 유의수준에서 기각되며, 이는 이러한 모델이 데이터와 일치하지 않음을 의미한다.
• 가장 가능성이 높은 주기 절단점은 P_cutoff ≈ 8년으로, 궤도 분리 거리 약 10 AU에 해당하며, 이는 질량이 큰 별 주위에 관측된 잔류 물질 붕괴 디스크의 크기와 일치한다(Kraus 등, 2010).
• 관측된 제약 조건은 질량이 큰 별들이 최초에 더 큰 궤도 분리 상태(≥100 R⊙)에서 탄생하고 약 1 Myr의 시간 스케일 내에 내측 이동 또는 경화 과정을 겪어 오래된 OB 인구에서 관측되는 조밀한 이중성 분포와 일치하도록 변형된다는 것을 시사한다.
• 결과는 질량이 큰 이중성이 초기에 넓은 분리 상태에서 형성되고 이후 물질 붕괴 디스크 또는 기타 원시 별체와의 상호작용을 통해 경화된다는 형성 시나리오를 지지하며, 이는 이동을 포함하는 디스크 분열 이론과 일치한다.