[논문 리뷰] On the Dynamical Evolution of the Arches Cluster

Sourav Chatterjee, Sanghamitra Goswami외 4명|ArXiv.org|2009. 11. 08.

Material Science and Thermodynamics참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 N-body 시뮬레이션을 사용하여 아르케스 별단의 관측된 질량 분리와 비정상적인 초기 질량 함수(IMF)가 천체물리학적으로 기원한 것인지 또는 동역학적 진화로 인한 것인지 조사한다. 표준 Kroupa IMF이면서도 초기 질량 분리가 없는 경우 현재의 질량 분리 상태를 재현할 수 없지만, 천체물리학적으로 질량 분리된 IMF를 가진 경우 2–3 Myr 이내에 충돌 연쇄 반응이 발생하며, 이는 매우 거대한 별(VMS) 또는 중간질량 블랙홀(IMBH)의 형성으로 이어질 수 있다. 이는 별의 바람에 의한 질량 손실에 따라 달라진다.

ABSTRACT

We study the dynamical evolution of the young star cluster Arches and its dependence on the assumed initial stellar mass function (IMF). We perform many direct $N$-body simulations with various initial conditions and two different choices of IMFs. One is a standard Kroupa IMF without any mass segregation. The other is a radially dependent IMF, as presently observed in the Arches. We find that it is unlikely for the Arches to have attained the observed degree of mass segregation at its current age starting from a standard non-segregated Kroupa IMF. We also study the possibility of a collisional runaway developing in the first $\sim 2-3 m{Myr}$ of dynamical evolution. We find that the evolution of this cluster is dramatically different depending on the choice of IMF: if a primordially mass segregated IMF is chosen, a collisional runaway should always occur between $2-3 m{Myr}$ for a broad range of initial concentrations. In contrast, for a standard Kroupa IMF no collisional runaway is predicted. We argue that if Arches was created with a mass segregated IMF similar to what is observed today then at the current cluster age a very unusual, high-mass star should be created. However, whether a collisional runaway leads to the formation of an intermediate-mass black hole (IMBH) depends strongly on the mass loss rate via winds from massive stars. Growth of stellar mass through collisions can be quenched by strong wind mass loss. In that case, the inter-cluster as well as intra-cluster medium are expected to have a significant Helium enrichment which may be observed via Helium recombination lines. The excess amount of gas lost in winds may also be observed via X-ray observations as diffused X-ray sources.

연구 동기 및 목표

• 아르케스 별단의 관측된 질량 분리가 동역학적 진화인지 천체물리학적 형성 조건인지 결정하는 것.
• 특히 아르케스에서 관측된 반경 방향에 따라 변화하는 IMF가 동역학적 진화와 충돌 연쇄 반응에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 아르케스 별단의 추정 연령인 2±1 Myr 내에 충돌 연쇄 반응이 매우 거대한 별(VMS) 또는 중간질량 블랙홀(IMBH)을 형성할 가능성에 대해 조사하는 것.
• 이러한 연쇄 반응의 관측 가능 신호, 예를 들어 헬륨 농축과 별풍으로부터 유래하는 X선 방출을 평가하는 것.

제안 방법

• 표준 비분리 Kroupa IMF와 현재 관측과 일치하는 반경 방향에 따라 변화하는 질량 분리된 IMF를 가진 아르케스 별단에 대한 직접 N-body 시뮬레이션을 수행한다.
• 예비별핵(PSC)에서 별이 형성되는 것을 모의하기 위해 매개변수 기반 모델을 사용하며, 별단 중심부의 높은 핵 밀도로 인해 PSC 간 충돌이 일어나고, 이로 인해 거대 별이 우선적으로 형성된다.
• 특히 충돌 연쇄 반응의 시작과 진행 상황을 추적하며, 별의 충돌과 질량 증가의 진화를 분석한다.
• Glebbeek 등(2009)의 바람 질량 손실 규정을 적용하여 충돌 생성물의 진화를 모의하고, 질량 손실률과 헬륨 농축을 추정한다.
• 매우 거대한 별(VMS), 중간질량 블랙홀(IMBH), 그리고 복합선과 X선 방출과 같은 관련 관측 신호의 잠재적 형성 가능성을 시뮬레이션한다.
• 충돌 시퀀스의 통계적 변동성을 분석하여 双중 충돌 연쇄 반응과 이중성 형성의 신뢰성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 비분리 Kroupa IMF에서 출발할 경우, 현재 아르케스 별단의 질량 분리 정도를 동역학적 진화로 설명할 수 있는가?
• RQ2 초기 질량 분리된 IMF를 가진 경우, 별단의 추정 연령과 일치하는 2–3 Myr 이내에 충돌 연쇄 반응이 발생하는가?
• RQ3 아르케스 별단에서 충돌 연쇄 반응을 통해 매우 거대한 별(VMS) 또는 중간질량 블랙홀(IMBH)이 형성될 가능성은 얼마나 되는가?
• RQ4 강한 별풍이 별의 충돌에 의한 거대 별의 성장을 어떻게 영향을 주며, 그 결과로 나타나는 관측 신호(예: 헬륨 농축, X선 방출)는 무엇인가?
• RQ5 아르케스 별단의 초기 조건과 IMF로부터 펄서 유사 별 또는 이중 충돌 연쇄 반응의 존재를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 표준 비분리 Kroupa IMF는 현재 연령에서 아르케스 별단의 관측된 질량 분리 정도를 재현할 수 없다.
• 초기 질량 분리된 IMF를 가진 경우, 다양한 초기 농도 조건에서도 2~3 Myr 사이에 충돌 연쇄 반응이 일관되게 시작된다.
• 질량 분리된 IMF를 가진 시뮬레이션에서는 초기 이중성 없이도 이중 충돌 연쇄 반응이 발생하며, 이는 고질량 별의 증가한 자원 덕분이다.
• 만약 별풍 질량 손실이 강하면 VMS 형성이 억제되고, 대신 $X_{He,S} > 0.9$인 헬륨 농축된 별이 형성되어 별단과 주변 매질을 농축시킨다.
• 배출된 헬륨 농축 기체는 별단 중심으로부터 3–7 pc 이상 거리에서 복합선을 통해 탐지 가능할 수 있다.
• X선 관측을 통해 별풍 물질에서 기인한 산란된 X선 방출을 관측할 수 있으며, 이는 충돌 연쇄 반응의 간접적 증거가 될 수 있다.