[論文レビュー] A dearth of short-period massive binaries in the young massive star forming region M17: Evidence for a large orbital separation at birth?

H. Sana, M. C. Ramírez-Tannus+4 more|Lirias (KU Leuven)|Feb 7, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、若年で非常に若いM17星形成領域（年齢 <1 Myr）における11個の質量の大きな準主系列前および主系列近辺の星における低径速度分散（σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹）を調査し、それらの連星性特性を制約する。合成集団モデルを用いた分析により、観測された分散は高い連星率や短周期連星の豊富さとは整合しないことが判明し、質量の大きな星がより大きな軌道分離をもって形成され、その後移動によって硬化することで、より古いOB連星集団で観測されるようなコンパクトな連星分布に一致する可能性が示唆された。

ABSTRACT

The formation of massive stars remains poorly understood and little is known about their birth multiplicity properties. Here, we investigate the strikingly low radial-velocity dispersion measured for a sample of 11 massive pre- and near-main-sequence stars (sigma_rv = 5.6 +/- 0.2 km/s) in the young massive star forming region M17 to obtain first constraints on the multiplicity properties of young massive stellar objects. Methods: We compute the RV dispersion of synthetic populations of massive stars for various multiplicity properties and we compare the simulated sigma_rv distributions to the observed value. We specifically investigate two scenarios: a low binary fraction and a dearth of short-period binary systems. Results: Simulated populations with low binary fractions (f_bin = 0.12_{-0.09}^{+0.16}) or with truncated period distributions (P_cutoff &gt; 9 months) are able to reproduce the low sigma_rv observed within their 68%-confidence intervals. Parent populations with f_bin &gt; 0.42 or P_cutoff &lt; 47 d can however be rejected at the 5%-significance level. Both constraints are contrast with the high binary fraction and plethora of short-period systems found in few Myr-old, OB-type populations. To explain the difference, the first scenario requires a variation of the outcome of the massive star formation process. In the the second scenario, compact binaries must form later on, and the cut-off period may be related to physical length-scales representative of the bloated pre-main-sequence stellar radii or of their accretion disks. Conclusions: If the obtained constraints are representative of the overall properties of massive young stellar objects, our results may provide support to a formation process in which binaries are initially formed at larger separations, then harden or migrate to produce the typical (untruncated) power-law period distribution observed in few Myr-old OB binaries.

研究の動機と目的

• 極めて若いM17星形成領域（年齢 <1 Myr）における質量の大きな若い星間対象（mYSOs）の連星性特性を定量化すること。
• 11個の質量の大きな星における観測された低径速度分散（σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹）が、より古いOB型集団の既知の連星性特性と整合するかどうかを特定すること。
• 低分散が低連星率か、特に9か月未塔の短周期連星の欠如に起因するのかを検証すること。
• 観測された制約が、質量の大きな連星がより大きな分離をもって形成され、その後移動によって硬化する可能性を示唆するのかを調査すること。
• M17における軌道周期分布の切り詰めが、星形成プロセスにおける物理的スケール長（例えば、準主系列星の半径や降着円盤のサイズ）を反映しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 異なる連星率（f_bin）と周期分布（P_cutoff）を有する質量の大きな星の合成集団をシミュレートし、観測された径速度分散を再現する。
• 各合成集団について1次元径速度分散（σ₁D）を計算し、観測値（5.6 ± 0.2 km s⁻¹）と統計的信頼区間を用いて比較する。
• 68%信頼区間を用いて、どの連星モデルがデータと整合するかを評価し、これらの区間外にあるモデルは除外する。
• 2つの主要なシナリオをテストする：(1) 低連星率（f_bin < 0.42）、(2) 切り詰め周期分布（P_cutoff > 47日）。
• より古い（数Myr）OB型集団の観測連星特性（40–50%の連星が周期 <1か月）と比較する。
• 導出されたP_cutoff ≈ 8年またはP_cutoff > 9か月が、前主系列星の半径（約100 R⊙）や降着円盤サイズ（約10 AU）といった物理的スケールと相関するかどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M17における低径速度分散（σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹）は、より古いOB連星集団で観測された高い連星率と短周期連星の豊富さと整合するか？
• RQ2 観測された分散は、低連星率（f_bin < 0.42）または切り詰め周期分布（P_cutoff > 9か月）によって説明可能か？
• RQ3 M17における短周期連星の欠如は、質量の大きな星が従来想定されてきたよりも大きな軌道分離をもって形成されることを示唆するのか？
• RQ4 観測された周期カットオフ（P_cutoff ≈ 8年または>9か月）は、前主系列星のサイズやその降着円盤のサイズと物理的に関連している可能性があるか？
• RQ5 M17集団がより初期の進化段階を表す場合、約1 Myrのスケールで広がった連星系が、内向き移動や硬化を経てコンパクトなシステムに変化するプロセスが存在する可能性はあるか？

主な発見

• 68%信頼区間内で、低連星率（f_bin = 0.12⁻⁰.⁰⁹⁺⁰.¹⁶）は観測された径速度分散（σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹）と整合する。
• P_cutoff > 9か月の切り詰め周期分布も観測分散と整合するが、これは短周期連星の欠如を示唆する。
• f_bin > 0.42 または P_cutoff < 47日という連星率や周期カットオフは、5%の有意水準で棄却され、これらモデルはデータと整合しないことが判明した。
• 最も可能性の高い周期カットオフはP_cutoff ≈ 8年であり、これは約10 AUの軌道分離に対応する。これは、質量の大きな星の周囲で検出された残存降着円盤のサイズと一致する（Krausら、2010年）。
• 観測された制約は、質量の大きな星が初期により大きな軌道分離（≥100 R⊙）をもって形成され、その後約1 Myrのスケールで内向き移動や硬化を経て、より古いOB集団で観測されるようなコンパクトな連星分布に一致する可能性を示唆している。
• 結果は、質量の大きな連星が初期に大きな分離をもって形成され、その後降着円盤や他の原始星体との相互作用によって硬化するという形成シナリオを支持しており、移動を伴う円盤分裂数理論と整合的である。