[논문 리뷰] Evolution of stellar collision products in open clusters. II. A grid of low-mass collisions

E. Glebbeek, O. R. Pols|ArXiv.org|2008. 06. 04.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 42인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 열량 순서 정렬과 일차원 별 진화 코드를 사용하여 열역학적 순서를 기반으로 병합 잔여물이 수축 단계, 주계열 및 거성 브랜치를 거쳐가는 과정을 추적함으로써, 열린 성단 내 저질량 별 충돌 잔여물에 대한 종합적인 세부적인 별 진화 모델의 격자를 제시한다. 이는 M67과 NGC 188에서 관측된 파랑 스트래글러 위치와 일치하며, 정상 별과는 상당히 다른 수명과 밝기 특성을 보이며, N-body 시뮬레이션에서 이러한 잔여물들을 정확하게 모델링하기 위한 분석적 방법을 제공한다.

ABSTRACT

In a companion paper we studied the detailed evolution of stellar collision products that occurred in an $N$-body simulation of the old open cluster M67 and compared our detailed models to simple prescriptions. In this paper we extend this work by studying the evolution of the collision products in open clusters as a function of mass and age of the progenitor stars. We calculated a grid of head-on collisions covering the section of parameter space relevant for collisions in open clusters. We create detailed models of the merger remnants using an entropy-sorting algorithm and follow their subsequent evolution during the initial contraction phase, through the main sequence and up to the giant branch with our detailed stellar evolution code. We compare the location of our models in a colour-magnitude diagram to the observed blue straggler population of the old open clusters M67 and NGC 188 and find that they cover the observed blue straggler region of both clusters. For M67, collisions need to have taken place recently. Differences between the evolution tracks of the collision products and normal main sequence stars can be understood quantitatively using a simple analytic model. We present an analytic recipe that can be used in an $N$-body code to transform a precomputed evolution track for a normal star into an evolution track for a collision product.

연구 동기 및 목표

• 열린 성단 내 저질량 별 충돌 잔여물의 진화를 체계적으로 모델링하여, 파랑 스트래글러 형성과 관련된 매개변수 공간을 커버한다.
• 모든 병합 잔여물의 내부 구조와 진화가 원천 별의 질량, 연령, 열역학적 순서 프로파일에 따라 어떻게 달라지는지 이해한다.
• M67과 NGC 188의 관측된 파랑 스트래글러 집단, 특히 색-등급도 다이어그램을 기반으로 세부적인 충돌 모델을 비교한다.
• N-body 시뮬레이션에서 사용할 수 있는 단순한 분석적 방법을 개발하여, 정상 별 진화 궤적을 정확한 충돌 잔여물 궤적으로 변환한다.
• 충돌 잔여물과 정상 별 간의 주계열 수명, 밝기, 반지름의 차이를 정량화하며, 기존의 제안 사례와의 비교를 포함한다.

제안 방법

• 동시에 형성된 저질량 주계열 별 간의 머리셋 충돌(총 질량 ≤ 2.4 M☉)에 대한 격자를 계산하여 질량 비율과 원천 별 연령의 범위를 커버하였다.
• 열역학적 순서 정렬 알고리즘을 사용하여 두 원천 별의 열역학적 순서와 조성 기울기를 유지하면서 병합 잔여물의 初기 구조를 재구성하였다.
• 모든 잔여물의 세부 진화를 완전히 음성 일차원 별 진화 코드를 사용하여 계산하였으며, 수축 단계, 주계열 진화, 거성 브랜치 상승 단계를 추적하였다.
• 관측된 M67과 NGC 188의 파랑 스트래글러 궤적을 색-등급도 다이어그램을 사용하여 비교하여 일치성을 평가하였다.
• 원천 별 질량과 연령에 따른 밝기, 반지름, 수명의 관계를 기반으로 정상 별 진화 궤적을 충돌 잔여물 궤적으로 변환할 수 있는 분석적 방법을 유도하였다.
• 핵심 침강(주로 1차원 또는 2차원)과 분자량 역전 현상의 역할을 열역학적 순서와 조성 프로파일을 분석하여 혼합 유형(M, P, S)으로 분류하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일 질량의 정상 주계열 별과 비교했을 때, 별 충돌 잔여물의 밝기, 반지름, 주계열 수명은 어떻게 다를까?
• RQ2 다른 혼합 유형(1차원 핵심 침강, 2차원 핵심 침강, 혼합)이 발생하는 매개변수 공간(질량 비율, 원천 별 연령)의 범위는 어디인가?
• RQ3 세부적인 충돌 모델이 M67과 NGC 188의 관측된 파랑 스트래글러 궤적을 색-등급도 다이어그램에서 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 N-body 시뮬레이션에서 충돌 잔여물 진화를 정확하게 표현할 수 있는 단순한 분석적 방법을 유도할 수 있는가? 이는 복잡한 세부 계산을 대체할 수 있는가?
• RQ5 원천 별의 열역학적 순서와 조성 기울기가 병합 잔여물의 내부 구조와 장기적 진화에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델 격자에서의 충돌 잔여물은 M67과 NGC 188의 색-등급도 다이어그램에서 관측된 파랑 스트래글러 영역을 모두 커버하며, 이는 파랑 스트래걸러의 원천으로서의 타당성을 확인한다.
• 충돌 잔여물은 동일 질량의 정상 주계열 별보다 더 밝지만, 완전 혼합 모델보다는 덜 파랗고, Hurley 등(2001)의 BSE 제안 사례에 의해 예측된 것보다 주계열 수명이 짧다.
• 세 가지의 명확한 혼합 유형을 식별하였다: 근접한 질량 비율에서 발생하는 'M'(혼합 핵심), 1차원 별이 진화한 경우의 'P'(1차원 핵심 침강), 특히 질량 비율 ≲0.4일 경우 2차원 별이 덜 진화한 경우의 'S'(2차원 핵심 침강).
• 'S' 유형의 경우, 헬륨이 풍부한 층이 수소가 풍부한 핵심 위에 형성되어 뚜렷한 분자량 역전 현상을 만들며, 핵심 가장자리에서 수소 연소 층이 형성된다.
• 유도된 분석적 방법을 통해 원천 별 질량과 연령에 따라 밝기, 반지름, 수명을 조정함으로써 정상 별 진화 궤적을 충돌 잔여물 궤적으로 변환할 수 있으며, 이는 N-body 시뮬레이션에서 효율적으로 활용할 수 있다.
• M67의 경우, 모델는 최근에 충돌이 일어났어야 한다고 시사하며, 오래된 잔여물은 관측된 파랑 스트래걸러 궤적을 초월해 진화했을 것이기 때문이다.