[논문 리뷰] Runaway Collisions in Star Clusters

Simon Portegies Zwart, Junichiro Makino외 2명|arXiv (Cornell University)|2000. 12. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 항성 및 이중성 진화를 고정밀 N-body 시뮬레이션을 사용하여, R136, 아르케스, 퀠티플렛과 같은 밀도가 높고 젊은 성운에서의 폭주성 항성 충돌이 흔하다는 것을 입증한다. 충돌률은 초기 이완 시간의 역수에 비례하며, 1 Myr의 이완 시간을 가진 성운에서는 별당 약 2.2×10⁻⁴회의 충돌이 매 백만 년마다 발생하여, 이러한 충돌이 비교적 작은 시스템에서도 성운의 진화에 상당한 영향을 미친다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We study the occurrence of physical collisions between stars in young and compact star cluster. The calculations are performed on the GRAPE-4 with the starlab software environment which include the dynamical evolution and the nuclear evolution of all stars and binaries. The selection of the initial conditions is based on existing and well observed star clusters, such as R136 in the 30 Doradus region in the Large Magellanic Cloud and the Arches and Quintuplet star clusters in the vicinity of the Galactic center. Collisions between stars occurred rather frequently in our models. At any time a single star dominates the collision history of the system. The collision rate of this runaway merger scales with the initial relaxation time of the cluster and is independent on other cluster parameters, such as the initial mass function or the initial density profile of the cluster. Subsequent encounters result in a steady grow in mass of the coagulating star, until it escapes or explodes in a supernova. The collision rate in these models is about 0.00022 collisions per star per Myr for a cluster with an initial relaxation time of 1 Myr.

연구 동기 및 목표

• R136, 아르케스, 퀸타플렛과 같은 밀도가 높고 젊은 성운에서 물리적 항성 충돌이 자주 발생하는지 조사하기 위해.
• 낮은 초기 이완 시간을 가진 시스템에서도 폭주성 충돌 과정이 성운 진화를 지배할 수 있는지 판단하기 위해.
• 항성 충돌이 성운의 천체역학적 및 진화적 진화에 미치는 영향, 특히 거대 항성과 블랙홀 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 직접 N-body 시뮬레이션을 통해 항성 및 이중성 진화를 포함한 전반적인 모델링을 통해 이전의 가정(충돌은 희귀하고 무시할 수 있다)을 도전하기 위해.
• 충돌률을 정량화하고 이와 이완 시간, 질량 함수, 밀도 프로파일과 같은 성운 매개변수에 대한 의존도를 분석하기 위해.

제안 방법

• 고속 통합을 위해 특수 목적의 GRAPE-4 컴퓨터를 사용한 Starlab 소프트웨어 환경을 활용한 N-body 시뮬레이션.
• 자기 일관성 있는 항성 및 이중성 진화(SeBa를 통한)와 항성 진화와 성운 천체역학 간의 동적 피드백를 통합.
• 관측된 성운인 R136, 아르케스, 퀸타플렛을 기반으로 한 초기 조건: 별 수(1k에서 32k), 이완 시간, 초기 질량 함수의 다양성.
• 충돌률의 주요 스케일링 매개변수로 이완 시간을 사용하며, 다양한 초기 밀도 프로파일(이완 시간 W₀ = 1에서 7인 헤기-라마마니 모델)을 사용한 모델링.
• 은하계 tidal 필드 포함 및 변동하는 질량 손실을 고려한 초신성 폭발 처리를 통해 탈출 및 블랙홀 형성 평가.
• 충돌 역사, 중심 물체의 질량 증가, 초신성로 인한 질량 손실에 의한 성운 팽창 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제로 현실적인 초기 조건을 가진 밀도가 높고 젊은 성운에서 물리적 항성 충돌의 실제 비율은 무엇인가?
• RQ2 단일 항성이 폭주성 충돌을 겪는가? 만약 그렇다면 이러한 충돌의 비율을 결정짓는 요소는 무엇인가?
• RQ3 충돌률은 이완 시간, 초기 질량 함수, 밀도 프로파일과 같은 성운 매개변수에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 항성 충돌이 성운의 천체역학적 진화, 특히 코어 팽창과 궁극적 분해에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 폭주성 충돌로 탄생한 항성의 잔여물은 어떻게 되는가? 특히, 계속해서 추가 충돌을 통해 성장하는 블랙홀을 형성하는가?

주요 결과

• 별당 매 백만 년당 충돌률은 $ \mathcal{R}_{\rm coll} = 2.2 \times 10^{-4} \, t_{\rm rlx}^{-1.0} \, [\text{Myr}^{-1}] $로 표현되며, $ t_{\rm rlx} $는 Myr 단위로 되어 있어 초기 이완 시간에 강한 의존성을 보인다.
• 각 성운에서 단일 항성이 충돌 역사를 지배하며, 반복적인 충돌을 통해 질량이 증가하여 결국 초신성로 폭발하거나 탈출한다.
• 10⁷개 이하의 별을 가진 성운에서도 폭주성 충돌이 발생함을 확인하여, 이전의 가정(이러한 시스템은 매우 큰 질량이 필요하다)을 뒤집는 결과를 얻었다.
• 다수의 충돌을 통해 형성된 거대한 물체는 다른 별들과 질량에서 뚜렷이 분리되어 매우 거대한 항성 또는 블랙홀로 관측 가능할 수 있다.
• 충돌로 탄생한 항성의 초신성 폭발은 질량 손실이 크면 성운에서 탈출하게 되지만, 질량 손실이 적다면 형성된 블랙홀은 코어에 머물러 추가 충돌을 통해 계속 성장할 수 있다.
• 초신성로 인한 질량 손실로 인한 코어 팽창은 결국 충돌 효율성을 떨어뜨리며, 이로 인해 폭주성 충돌 단계의 지속 시간은 수 10 Myr 이내로 제한된다.