[논문 리뷰] The evolution of two stellar populations in globular clusters I. The dynamical mixing timescale

T. Decressin, Holger Baumgardt외 1명|ArXiv.org|2008. 10. 29.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 59인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 N-body 시뮬레이션을 사용하여 이원 상호작용에 의한 천체역학적 혼합이 구상성군에서 관측된 높은 비율의 화학적으로 비정상적인 별을 설명할 수 있는지 조사한다. 결과적으로 중심에 농축된 두 번째 세대 별이 있더라도 약 2개의 이론적 평균 생존시간(수십억 년) 내에 반경 방향으로 균일화되며, 이 과정에서 두 번째 세대 별 비율이 오직 2.5배 증가할 뿐이어서 관측 결과를 설명하기에는 부족하다. 이는 더 효율적인 질량 손실 메커니즘, 예를 들어 초기 가스 제거가 동반되지 않는 한 성립하지 않는다.

ABSTRACT

We investigate the long-term dynamical evolution of two distinct stellar populations of low-mass stars in globular clusters in order to study whether the energy equipartition process can explain the high number of stars harbouring abundance anomalies seen in globular clusters. We analyse N-body models by artificially dividing the low-mass stars (m<0.9 Msun) into two populations: a small number of stars (second generation) consistent with an invariant IMF and with low specific energies initially concentrated towards the cluster-centre mimic stars with abundance anomalies. These stars form from the slow winds of fast-rotating massive stars. The main part of low-mass (first generation) stars has the pristine composition of the cluster. We study in detail how the two populations evolve under the influence of two-body elaxation and the tidal forces due to the host galaxy.Stars with low specific energy initially concentrated toward the cluster centre need about two relaxation times to achieve a complete homogenisation throughout the cluster. For realistic globular clusters, the number ratio between the two populations increases only by a factor 2.5 due to the preferential evaporation of the population of outlying first generation stars. We also find that the loss of information on the stellar orbital angular momentum occurs on the same timescale as spatial homogenisation.

연구 동기 및 목표

• 구상성군에서 관측된 화학적으로 비정상적인 별의 높은 수를 천체역학적 과정, 예를 들어 이원 상호작용에 의해 자연스럽게 설명할 수 있는지 규명하는 것.
• 초기에는 중심에 농축된 두 번째 세대 별이 에너지 등분배와 은하의 tidal 힘에 의해 시간이 지남에 따라 공간적 분리가 어떻게 해소되는지 평가하는 것.
• 첫 번째 세대 별의 초기 질량 함수(IMF)가 일정하다는 가정 하에 구상성군의 관측된 원소 농도 비율을 재현할 수 있는지 평가하는 것.
• 초기 가스 제거가 두 번째 세대 별의 형성에 필요한 충분한 수를 만들어내는 데 어떤 역할을 하는지 조사하는 것.
• 오래된 구상성군에서 초기 천체역학적 정보, 예를 들어 운동량과 반경 분포가 손실되는 시간 스케일을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 저질량 별(m ≤ 0.9 M☉)을 인위적으로 두 집단으로 나누어 첫 번째 세대(순수한 조성)와 두 번째 세대(빠르게 도는 거대 별의 천천인 풍에 의한 원소 농도 비정상성)로 설정한 N-body 시뮬레이션을 사용하였다.
• 두 번째 세대 별은 초기에 낮은 특정 에너지를 부여받아 별집단 중심에 농축되도록 설정하여 거대 별의 적도 방향 분출을 모의하였다.
• 장기간의 천체역학적 진화를 수십억 년에 걸쳐 모의하기 위해 이원 상호작용과 은하의 주변 힘(tidal forces)을 고려했다.
• 반경 분포, 에너지 등분배, 집단 비율의 변화를 추적하여 혼합과 선호적 증발 현상을 평가하였다.
• 초기 운동량과 반경 구조의 손실 시간 스케일을 정량화하고, 반경 방향 균일화 시간 스케일과 비교하였다.
• 시뮬레이션은 첫 번째 세대 별에 대해 표준 Salpeter IMF를 가정하였으며, 관측된 비율과 비교해 두 번째 세대 별 비율을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이원 상호작용에 의한 천체역학적 혼합만으로도 관측된 높은 비율의 화학적으로 비정상적인 별을 설명할 수 있는가?
• RQ2 초기에는 별집단 중심에 농축되어 있던 두 번째 세대 별이 첫 번째 세대 별과 공간적으로 균일화되기까지 얼마나 오랜 시간이 걸리는가?
• RQ3 tidal 힘은 특정 에너지가 높은 첫 번째 세대 별의 선호적 손실에 어떤 영향을 미치며, 이는 최종 별 집단 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 초기 운동량 등의 천체역학적 정보 손실 시간 스케일이 반경 방향 균일화 시간 스케일과 같은가?
• RQ5 관측된 비율이 일정한 IMF와 일치하는가, 아니면 더 효율적인 질량 손실 메커니즘이 필요한가?

주요 결과

• 초기 특정 에너지가 낮아 중심에 농축되어 있던 별들은 약 2개의 이론적 평균 생존시간(~수십억 년)이 지나야 첫 번째 세대 별과 반경 방향으로 완전히 균일화된다.
• 별집단 수명 동안 첫 번째 세대 별이 외곽 지역에서 선호적으로 증발함에 따라 두 번째 세대 별과 첫 번째 세대 별의 비율은 오직 2.5배 증가할 뿐이다.
• 초기 천체역학적 정보(예: 궤도 운동량)의 손실 시간 스케일은 반경 방향 균일화 시간 스케일과 유사하여, 약 2개의 이론적 평균 생존시간 후에는 모든 초기 운동학적 및 공간적 구조가 소멸됨을 시사한다.
• 관측된 화학적 비정상성 별의 높은 비율(예: NGC 6752에서 약 85%)은 일정한 IMF 하에서는 재현되지 않으며, 더 효율적인 질량 손실 메커니즘이 존재하지 않는 한 설명할 수 없다.
• 표준 IMF와 관측 결과를 일치시키기 위해서는, 별의 복사에 의한 별집단 외곽 물질 제거를 통해 짧은 시간 내에 초기 가스를 제거할 수 있는 메커니즘이 필요하다.
• 결과적으로, 관측된 원소 농도 비율을 설명하기 위해서는 천체역학적 과정만으로는 부족하며, 초기 가스 제거와 같은 메커니즘이 필요하다는 것이 확인되었다.