[논문 리뷰] Escape from the Bermuda cluster: Orphanization by multiple stellar ejections

J. Maíz Apellániz, M. Pantaleoni González외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 71인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 가우스 EDR3 천체 운동학 데이터와 다중 파장 데이터를 사용하여 버마드라 별단(Villafranca O-014 NW)에서 세 가지의 고유한 별 방출 사건—Bajamar, Toronto, HD 201 795—을 특정하였다. 이 사건들은 각각 161만, 150만, 191만 년 전에 발생했으며, 200 M⊙ 이상의 질량이 방출되었으며, 별단의 세 개의 가장 질량이 큰 별들이 포함되어 있어, 버마드라 별단이 초기 질량 함수가 Kroupa 유사한 것으로 일관되는 현저하게 변형된 현재의 질량 함수를 가진 고립된 시스템임을 확인하였다.

ABSTRACT

[Context] Dynamical interactions in young stellar clusters can eject massive stars early in their lives and significantly alter their mass functions. If all of the most massive stars are lost, we are left with an orphan cluster. [Aims] We study the Bermuda cluster (Villafranca O-014 NW), the most significant young stellar group in the North America and Pelican nebulae, and the massive stars that may have been ejected from it to test if it has been orphane-d. [Methods] We use Gaia EDR3 parallaxes and proper motions to search for walkaway and runaway stars in the vicinity of the North America and Pelican nebulae. The candidates are analyzed with a combination of spectroscopy and photometry to assess their nature and their trajectories are traced back in time to determine at what time they left the Bermuda cluster. [Results] We detect three ejection events, dubbed the Bajamar, Toronto, and HD 201 795 events, which expelled (a minimum of) five, two, and two systems, respectively, or six, three, and three stars if we count the individual components in spectroscopic and eclipsing binaries. The events took place 1.611 ± 0.011 Ma, 1.496 ± 0.044 Ma, and 1.905 ± 0.037 Ma ago, respectively, but our analysis is marginally consistent with the first two being simultaneous. We detect bow shocks in WISE images associated with four of the ejected systems; their orientation agrees with that of their relative proper motions with respect to the cluster. Combining the three events, the Bermuda cluster has lost over 200 M, including its three most massive stars, so it can be rightfully considered an orphan cluster. One consequence is that the present-day mass function of the cluster has been radically altered from its top-heavy initial value to one compatible with a Kroupa-like function. Another is that the cluster is currently expanding with a dynamical timescale consistent with the cause being the ejection events. A scenario in which the Bermuda cluster was formed in a conveyor-belt fashion over several hundreds of ka or even 1 Ma is consistent with all the observables.

연구 동기 및 목표

• 버마드라 별단(Villafranca O-014 NW)이 가장 질량이 큰 별들이 조기에 방출되면서 고립된 상태가 되었는지 여부를 규명하는 것.
• Gaia EDR3 천체 운동학 데이터를 활용하여 북아메리카 성운과 펠리칸 성운 지역 내 달아나는 별과 걷어나가는 별을 식별하고 특성화하는 것.
• 방출된 별들의 궤적을 과거로 거슬러 올라가 별단으로부터의 방출 시기를 추정하고, 별단의 질량 함수에 미치는 역학적 영향을 평가하는 것.
• 고속 방출의 증거로 볼 수 있는 볼셔크를 적외선 데이터에서 탐지하는 것.
• 현재 별단의 팽창과 질량 함수의 진화가 다수의 방출 사건과 일관되는지 평가하는 것.

제안 방법

• 북아메리카 성운과 펠리칸 성운 근처의 고속 별을 특정하기 위해 Gaia EDR3의 일식각과 운동량을 활용하였다.
• 스펙트로스코픽 및 광도 분석을 융합하여 후보 방출 별의 성격을 분류하고, 반경 속도와 이중성 여부를 평가하였다.
• 방출된 별들의 궤적을 시간에 거슬러 역행하여 버마드라 별단으로부터의 방출 시기를 추정하였다.
• WISE 적외선 영상 분석을 통해 방출된 별과 관련된 볼셔크를 탐지하고, 그 방향성과 운동량 벡터를 비교하였다.
• 이중성 시스템의 구성 성분까지 포함하여 방출된 시스템의 질량을 합산함으로써 별단으로부터의 총 질량 손실를 계산하였다.
• 방출 시나리오가 현재 별단의 팽창 스케일과 질량 함수 진화와 일관되는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 버마드라 별단이 가장 질량이 큰 별들을 역학적 방출로 인해 상실함으로써 현재 고립된 별단 상태가 되었는가?
• RQ2 별단으로부터 방출된 가장 질량이 큰 별들의 방출 시기와 운동 특성은 무엇인가?
• RQ3 방출된 별과 관련된 관측 가능한 서명, 예를 들어 볼셔크와 같은 것이 존재하는가?
• RQ4 다수의 방출 사건으로 인해 별단이 얼마나 많은 질량을 상실했으며, 그로 인해 현재의 질량 함수에 어떤 영향을 미쳤는가?
• RQ5 현재 별단의 팽창은 방출 사건의 시기와 에너지와 일치하는가?

주요 결과

• 세 개의 고유한 방출 사건—Bajamar, Toronto, HD 201 795—이 각각 161만 1000±11000년 전, 150만 6000±44000년 전, 190만 5000±37000년 전에 발생했으며, 약간의 일치성으로 인해 첫 번째 두 사건이 동시에 발생했을 가능성이 제기되었다.
• 방출로 인해 최소 5개, 2개, 2개의 시스템(이중성 구성 성분까지 포함하면 각각 6개, 3개, 3개의 별)이 방출되었으며, 총 질량 손실가 200 M⊙를 초과하였다.
• 방출된 시스템 중 네 개는 WISE 영상에서 볼셔크를 보였으며, 충격파의 방향성이 그들의 운동량 방향과 일치하여 고속으로 방출되었음을 확인하였다.
• 현재 별단의 질량 함수는 Kroupa 유사 초기 질량 함수와 일치하며, 이는 원래의 상위 집중 질량 함수에서 근본적인 전환을 겪었다는 것을 시사한다.
• 별단은 현재 동역학적 스케일이 추정된 방출 사건과 일치하는 팽창을 보이고 있으며, 이는 방출 시나리오를 지지한다.
• 수십만 년에서 100만 년에 걸쳐 연속된 벨트 방식의 형성 시나리오는 관측된 운동학적 및 천체 운동학적 데이터와 모두 일치한다.