[논문 리뷰] Close pairs: keys to comprehension of the evolution of star clusters

D. Vanbeveren|ArXiv.org|2009. 09. 18.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 밀도가 높은 항성 집단에서의 중력 상호작용을 통해 중간질량 블랙홀 형성, 지연된 초신성 Ia의 발생률, 이중 중성자별 합성, 궤도형 별집의 화학적 자가풍부화를 이끄는 밀접한 이중성계의 역할을 규명하고자 한다. 최신 항성 바람 질량 손실 모델을 적용한 N-body 시뮬레이션을 통해 MGG 11과 같은 밀도 높은 별집에서의 런어웨이 병합이 중간질량 블랙홀 형성에 기여할 수 있음을 보여주며, 이중 중성자별 합성의 지연된 시간 분포가 은하계에서 관측된 유로피움의 진화와 잘 맞아떨어져 이들이 주요 r-과정 원소 생성처일 가능성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In this review I first summarize why binaries are key objects in the study of stellar populations, key objects to understand the evolution of star clusters, key objects to understand galaxies and thus the universe. I then focus on 4 specific topics: 1. the formation (via binaries) and evolution of very massive stars in dense clusters and the importance of stellar wind mass loss. I discuss preliminary computations of wind mass loss rates of very massive stars performed with the Munich hydrodynamical code, and the influence of these new rates on the possible formation of an intermediate mass black hole in the cluster MGG 11 in M82 2. the evolution of intermediate mass binaries in a starburst with special emphasis on the variation of the SN Ia rate (the delayed time distribution of SN Ia). A comparison with SN ia rates in elliptical galaxies may provide important clues on the SN Ia model as well as on the evolution of the SN Ia progenitors 3. the evolution of the double neutron stars mergers in a starburst (the delayed time distribution of these mergers) and what this tells us about the suggestion that these mergers may be important production sites of r-process elements 4. the possible effect of massive binaries on the self-enrichment of globular clusters.

연구 동기 및 목표

• 밀도가 높은 항성 집단인 MGG 11와 같은 환경에서 밀접한 이중성이 중간질량 블랙홀 형성에 어떻게 기여하는지 조사한다.
• 스타버스트 환경에서 초신성 Ia의 지연된 시간 분포를 이해하고, 이를 원천 모델에 대한 함의를 분석한다.
• 관측된 유로피움 진화를 제약 조건으로 삼아 이중 중성자별 합성이 r-과정 원소를 생성하는 데 기여하는지 평가한다.
• RLOF 및 공통-envelope 진화와 같은 질량 손실 메커니즘을 통해 대질량 이중성이 궤도형 별집에서의 화학적 자가풍부화를 가능하게 하는지 탐색한다.

제안 방법

• 뮌헨의 유체역학적 코드에서 유도된 최신 바람 질량 손실률을 반영한 자기일관성 있는 항성 진화를 포함한 N-body 시뮬레이션.
• 브뤼셀 인구코드를 사용한 이중성 인구합성 모델로, 초신성 Ia 및 이중 중성자별 합성의 지연된 시간 분포(DTD)를 계산한다.
• 대질량 이중성에서 RLOF/공통-envelope/스피ral-in 질량 손실 시나리오를 통합하여, 극도로 빠른 회전이 필요 없이 저금속도로 CNO 처리된 물질을 고속도로 방출할 수 있는 메커니즘을 제공한다.
• 이중 중성자별 합성의 시뮬레이션된 DTD를 태양계 근처에서 관측된 유로피움 진화와 비교하여 r-과정 생성 메커니즘을 검증한다.
• Salpeter 초기 질량 함수와 이중성 질량 비율, 궤도 주기, 공통-envelope 효율성(α = 1)의 매개변수화된 분포를 사용한다.
• 초신성 폭발 시 반동 속도 분포(v_kick ≈ 450 km/s)를 적용하여 이중성이 파손되거나 합성 생존 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MGG 11와 같은 밀도 높은 별집에서의 런어웨이 항성 병합이 중간질량 블랙홀 형성으로 이어질 수 있으며, 이 과정에서 최신 바람 질량 손실률이 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 스타버스트 환경에서 초신성 Ia의 지연된 시간 분포는 타원은하에서의 관측 결과와 어떻게 비교되며, 이는 초신성 Ia 원천 모델에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 스타버스트 환경에서의 이중 중성자별 합성은 은하계에서 관측된 유로피움의 시간적 진화와 얼마나 잘 일치하는가? 이는 이들이 r-과정 원소의 주요 원천임을 뒷받침하는가?
• RQ4 궤도형 별집 내 대질량 이중성이 빠른 회전을 요구하지 않고도 자가풍부화를 가능하게 할 수 있는 타당한 메커니즘을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 뮌헨 코드에서 유도된 최신 바람 질량 손실률을 적용한 MGG 11의 시뮬레이션 결과, 중간질량 블랙홀 형성에 유력한 경로가 존재할 수 있음을 시사한다.
• 스타버스트 환경에서의 이중 중성자별 합성 지연시간 분포는 태양계 근처에서 관측된 유로피움 진화와 매우 잘 일치하며, 이는 이들이 주요 r-과정 원소 생성처임을 뒷받침한다.
• 이중성 진화의 중요성을 반영한 시뮬레이션 결과, 10^6 M⊙의 스타버스트 환경에서 30%의 중간질량 항성이 단기 주기 이중성에 속해 있을 경우 약 10,000~15,000건의 초신성 Ia가 발생할 수 있음을 보여주며, 이는 항성 집단 내 이중성 진화의 중요성을 강조한다.
• 대질량 이중성에서 RLOF/공통-envelope/스피ral-in 질량 손실 시나리오는 고속도로 질량을 방출할 수 있는 타당한 대안을 제공하며, 이는 저금속도에서 CNO 처리된 물질을 방출함으로써 궤도형 별집의 화학적 자가풍부화를 가능하게 한다.
• α = 1 및 v_kick = 450 km/s 조건에서 인구합성 모델로 유도된 이중 중성자별 합성 DTD는 초기에 강한 피크를 보이며, 관측된 유로피움 농도 상승과 일치한다.
• 본 연구는 대질량 이중성이 항성 상호작용 과정을 통해 효율적이고 저속도로 질량을 방출할 수 있음을 시사하며, 이는 궤도형 별집에서의 자가풍부화를 이끄는 데 단일 항성이 보다 효과적일 수 있음을 시사한다.