[논문 리뷰] The Dragon-II simulations -- I. Evolution of single and binary compact objects in star clusters with up to 1 million stars

Manuel Arca Sedda, Albrecht Kamlah외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 10.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 최대 100만 개의 별을 포함하고, 최대 33%의 이중성 별을 포함한 19개의 N-body 시뮬레이션인 Dragon-II를 제시한다. 이는 밀도 높은 물체(흑색구멍, 중성자별, 백색왜성)의 천체역학적 진화를 조사하기 위한 것이다. 주요 발견은 흑색구멍이 10–30개의 리아너런스 시간 이내에 BH 연소로 인해 평균 질량이 15 M⊙ 이하로 떨어지는 밀도가 높고 오래 지속되는 하위계를 은하단 중심에 형성한다는 것이다. 또한, 이중 밀도 높은 물체를 수반하는 탈출 이중성은 단일 밀도 높은 물체를 수반하는 것보다 훨씬 무거운 흑색구멍(10–100 M⊙)을 포함한다.

ABSTRACT

We present the first results of the extsc{Dragon-II} simulations, a suite of 19 $N$-body simulations of star clusters with up to $10^6$ stars, with up to $33\%$ of them initially paired in binaries. In this work, we describe the main evolution of the clusters and their compact objects (COs). All extsc{Dragon-II} clusters form in their centre a black hole (BH) subsystem with a density $10-100$ times larger than the stellar density, with the cluster core containing $50-80\%$ of the whole BH population. In all models, the BH average mass steeply decreases as a consequence of BH burning, reaching values $\langle m_{ m BH} angle < 15$ M$_\odot$ within $10-30$ relaxation times. Generally, our clusters retain only BHs lighter than $30$ M$_\odot$ over $30$ relaxation times. Looser clusters retain a higher binary fraction, because in such environments binaries are less likely disrupted by dynamical encounters. We find that BH-main sequence star binaries have properties similar to recently observed systems. Double CO binaries (DCOBs) ejected from the cluster exhibit larger mass ratios and heavier primary masses than ejected binaries hosting a single CO (SCOBs). Ejected SCOBs have BH masses $m_{ m BH} = 3-20$ M$_\odot$, definitely lower than those in DCOBs ($m_{ m BH} = 10-100$ M$_\odot$).

연구 동기 및 목표

• 최대 100만 개의 별을 포함한 거대 별 집단에서 단일 및 이중성 밀도 높은 물체의 천체역학적 진화를 시뮬레이션하기 위해.
• 이니셜 별 집단 성질(이중성 비율 및 밀도 등)이 흑색구멍의 유지 및 질량 진화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 밀도 높은 성간 환경에서 흑색구멍-주계열성 및 이중 밀도 높은 물체 이중성의 형성, 탈출 및 성질을 모델링하기 위해.
• 질량 분리 및 BH 연소와 같은 천체역학적 과정이 최종 흑색구멍 질량 함수 및 공간 분포에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 특히 NGC3201와 같은 구형별집단에서 관측된 시스템과 비교하여 시뮬레이션된 밀도 높은 물체 집단의 성질을 분석하기 위해.

제안 방법

• 시뮬레이션은 최대 10^6개의 별을 포함하는 별 집단을 모델링하기 위해 Nbody6++GPU 코드를 사용한다. 이중성 별은 최대 33%까지 포함된다.
• 초기 조건은 실제 별의 초기 질량 함수 및 이중성 파rameter를 포함하는 McLuster 코드를 사용하여 생성된다.
• 별의 진화는 질량 손실, 쌍체 불안정성 및 펄서레이션 쌍체 불안정성 초신성, 질량 갭이 있는 흑색구멍 형성을 포함하는 상세한 모델을 통해 추적된다.
• 두 개의 별 간 상호작용, 삼체 만남, 이중성 강화와 같은 천체역학적 상호작용은 30개의 리아너런스 시간 동안 자동으로 진화된다.
• 밀도 높은 물체 집단은 질량, 공간 분포, 궤도 요소 및 은하단 중심에서의 탈출 사건을 추적하여 분석된다.
• 단일 및 이중성 밀도 높은 물체를 포함하지만, 특히 흑색구멍-주계열성(BH-MS) 및 이중 밀도 높은 물체(DCOB) 이중성에 특별한 주목을 기울인다.

Figure 1: Initial density, calculated at the half-mass radius, as a function of number of stars for several grids of direct $N$ -body (blue points) and Monte Carlo (red boxes) simulations. The Dragon-II cluster database is represented by the green star.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높은 별 집단에서 흑색구멍의 질량 및 공간 분포는 천체역학적 시간 척도에서 어떻게 진화하는가?
• RQ2 BH 연소 및 질량 분리와 같은 천체역학적 과정이 초기 흑색구멍 질량 함수에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 탈출한 흑색구멍 이중성의 성질은 무엇이며, NGC3201와 같은 관측된 시스템과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 초기 이중성 비율이 별 집단 내에서 밀도 높은 물체 이중성의 유지 및 진화에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 흑색구멍의 형성 효율은 어떻게 되며, 별 집단의 질량과 리아너런스 시간에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 모든 Dragon-II 별 집단은 별 밀도보다 10–100배 높은 밀도를 가진 중심 흑색구멍 하위계를 형성하며, 핵 반경 내에서 총 흑색구멍 인구의 50–80%를 포함한다.
• BH 연소로 인해 평균 흑색구멍 질량이 급격히 감소하여, 초기 별 집단 성질과 무관하게 10–30개의 리아너런스 시간 이내에 15 M⊙ 이하로 떨어진다.
• 30개의 리아너런스 시간 후, 별 집단은 30 M⊙ 이하의 흑색구멍만 유지하며, 이는 강한 질량 분리 및 더 무거운 잔여물의 증발을 나타낸다.
• 이완된 별 집단은 동역학적 만남이 이중성을 파괴하기 어려운 덜 조밀한 환경이므로 더 높은 이중성 비율을 유지한다.
• 탈출한 BH–주계열성 이중성은 낮은 흑색구멍 질량(m_BH < 10 M⊙), 짧은 궤도 주기(<10일), 주로 천체역학적으로 초기 형성된 것으로 나타나, 현지에서 형성된 것과 다르다.
• 탈출한 이중 밀도 높은 물체 이중성(DCOB)은 단일 밀도 높은 물체 이중성(SCOB)과 비교해 훨씬 더 큰 주성질량(10–100 M⊙)과 질량 비율을 가진다. 반면 SCOB는 m_BH = 3–20 M⊙를 가진다.

Figure 2: Time evolution of the mass (top panel) and half-mass radius (bottom) of Dragon-II clusters (black lines) compared to observed massive clusters in the Milky Way (MW, blue stars), the two Magellanic Clouds (green squares and red points), the Andromeda galaxy (M31, green squares), the Henize