[논문 리뷰] Cluster Disruption: From infant mortality to long term survival

N. Bastian|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 가스 탈출에 의해 유도되는 군집 유아 사망 표준 이론을 도전하며, 대부분의 별들이 기존에 알려진 것처럼 기체 탈출에 의해 파손되는 것이 아니라, 자연적으로 산산이 흩어지는 유bound 연합에서 형성되며, 거대한 군집은 초기에 준-비르יאל 조건으로 안정화된다고 주장한다. M83의 군집 집단 관측 결과는 외곽 영역에서 더 오래 지속되는 것으로 나타나, 질량에 따라 달라지는 붕괴와 약 10⁵ M⊙에서 잘린 질량 함수의 존재를 지지하며, 핵심 매개변수를 조정할 경우 질량에 따라 달라지는 붕괴 모델과 질량에 따라 달라지지 않는 붕괴 모델 모두가 데이터를 잘 맞춘다.

ABSTRACT

How stellar clusters disrupt, and over what timescales, is intimately linked with how they form. Here, we review the theory and observations of cluster disruption, both the suggested initial rapid dissolution phase (infant mortality) and the longer timescale processes that affect clusters after they emerge from their progenitor GMCs. Over the past decade, the standard paradigm that has developed is that all/most stars are formed in clusters and that the vast majority of these groups are disrupted over short timescales (< 10 Myr). This is thought to be due to the removal of the left over gas from the star-formation process, known as infant mortality. However, recent results have suggested that the fraction of stars that form in clusters has been overestimated, with the majority being formed in unbound groups (i.e. associations) which expand and disrupt without the need of invoking gas removal. Dynamical measurements of young massive clusters in the Galaxy suggest that clusters reach a stable equilibrium at very young (<3 Myr) ages, suggesting that gas expulsion has little effect on the cluster. After the early dynamical phase, clusters appear to be long lived and stable objects. We use the recent WFC3 image of the cluster population in M83 to test empirical disruption laws and find that the lifetime of clusters strongly depends on their ambient environment. While the role of cluster mass is less well constrained (due to the added parameter of the form of the cluster mass function), we find evidence suggesting that higher mass clusters survive longer, and that the cluster mass function (at least in M83, outside the nuclear region) is truncated above ~10^5Msun.

연구 동기 및 목표

• 가스 탈출에 의한 군집 붕괴 표준 이론을 재평가한다.
• 대부분의 별들이 유bound 군집에서 형성되는지, 아니면 기체 제거 없이 산산이 흩어지는 비유bound 연합에서 형성되는지를 평가한다.
• HST WFC3 데이터를 활용해 질량에 따라 달라지는(MDD) 및 질량에 따라 달라지지 않는(MID) 붕괴 법칙의 타당성을 시험한다.
• 초기 조건—특히 비르iel 상태와 효과적 SFE—이 군집 생존에 미치는 역할을 규명한다.
• 군집 질량 함수의 잘림 스케일과 그 환경 의존성을 제약한다.

제안 방법

• M83의 군집 집단에 대한 HST WFC3 관측 자료를 분석하여 내부 및 외부 은하 영역을 구분한다.
• Schechter 질량 함수를 사용하여 연령/질량도에 최대우도 적합을 적용한다.
• 두 가지 붕괴 모델을 시험한다: 질량에 따라 달라지는 붕괴(MDD)와 질량에 따라 달라지지 않는 붕괴(MID)로, F_MID, t_4, M_c 등의 자유 매개변수를 허용한다.
• 모델 예측을 관측된 군집 연령 및 질량 분포와 비교하며, 완전성 한계를 통합한다.
• 우주선과 LMC의 젊은 거대 군집의 천체역학 측정을 활용하여 젊은 연령에서의 비르iel 상태와 안정성을 평가한다.
• SPH 시뮬레이션과 N-body 모델의 결과를 통합하여, 초기에 준-비르iel 상태와 효과적 SFE가 군집의 내성에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가스 탈출에 의해 유도되는 유아 사망 이론은 여전히 군집 붕괴를 설명하는 데 타당한가?
• RQ2 대부분의 별들이 유bound 군집에서 형성되는가, 아니면 기체 제거 없이 산산이 흩어지는 비유bound 연합에서 형성되는가?
• RQ3 초기 조건—특히 준-비르iel 운동과 효과적 SFE—가 기체 탈출 이후 군집 생존에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 M83 군집 집단을 설명하는 데 있어 질량에 따라 달라지는 붕괴 법칙과 질량에 따라 달라지지 않는 붕괴 법칙 중 어느 것이 더 나은가?
• RQ5 군집 수명의 환경 의존성은 무엇이며, 군집 질량 함수의 잘림에 대한 증거는 있는가?

주요 결과

• 가스 탈출에 의해 유도되는 유아 사망 시나리오는 과대평가되었을 가능성이 크며, 많은 군집은 준-비르iel 초기 조건과 높은 효과적 SFE 덕분에 기체 탈출 후에도 생존한다.
• 수성계의 젊은 거대 군집 천체역학 측정 결과는 낮은 속도 분산을 보이며, <3 Myr의 나이에 이미 안정적이거나 준-비르iel 구조를 취하고 있음을 시사하여, 기체 탈출의 영향이 미미할 가능성이 있다.
• M83의 군집 집단은 명백한 환경 의존성을 보이며, 외곽 영역 군집의 수명(t_4 ~ 600 Myr)은 내곽 영역 군집의 수명(t_4 ~ 130 Myr)보다 길다. 이는 질량에 따라 달라지는 붕괴와 일치한다.
• F_MID, t_4, M_c 등의 매개변수를 자유롭게 조정할 경우 MDD 및 MID 모델 모두 관측된 M83 군집 집단을 잘 맞추지만, MDD 모델이 더 물리적으로 타당성이 높다.
• M83의 군집 질량 함수는 약 10⁵ M⊙에서 잘리며, 내곽 영역에서는 약 略으로 더 높은 잘림 질량을 보이며, 다른 은하 및 LMC의 결과와 일치한다.
• 더 높은 질량의 군집이 더 오래 생존하는 것으로 보이지만, 질량 함수 형태의 복잡성으로 인해 질량 의존성은 다소 불확실하다.