[논문 리뷰] Evolution of two stellar populations in globular clusters II. Effects of primordial gas expulsion

T. Decressin, Holger Baumgardt외 2명|Queensland's institutional digital repository (The University of Queensland)|2010. 03. 30.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 68인용 수 57

한 줄 요약

이 논문은 구형별집단에서 초기 가스 탈출이 둘째 세대 별을 천체역학적으로 풍부화할 수 있는지 조사한다. 가스 탈출은 첫째 세대 별을 우선적으로 제거하지만, 더 중심에 집중된 둘째 세대 별은 유지된다. 별 형성 효율이 약 0.33일 때, 모델은 현재의 별집단에서 관측된 둘째 세대 별 비율 최대 60%를 재현한다.

ABSTRACT

We investigate the early evolution of two distinct populations of low-mass stars in globular clusters under the influence of primordial gas expulsion driven by supernovae to study if this process can increase the fraction of second generation stars at the level required by observations. We analyse N-body models that take into account the effect of primordial gas expulsion. We divide the stars into two populations which mimic the chemical and dynamical properties of stars in globular clusters so that second generation stars start with a more centrally concentrated distribution. The main effect of gas expulsion is to eject preferentially first generation stars while second generation stars remain bound to the cluster. In the most favourable cases second generation stars can account for 60% of the bound stars we see today. We also find that at the end of the gas expulsion phase, the radial distribution of the two populations is still different, so that long-term evolution will further increase the fraction of second generation stars. The large fraction of chemically anomalous stars is readily explainable as a second generation of stars formed out of the slow winds of rapidly rotating massive stars if globular clusters suffer explosive residual gas expulsion for a star formation efficiency of about 0.33.

연구 동기 및 목표

• 구형별집단에서 관측된 높은 둘째 세대 별 비율을 초기 가스 탈출이 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 형성 기간 동안 둘째 세대 별의 반경 방향 분리가 가스 탈출 후 잔류에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 관측된 둘째 세대 별 비율을 재현할 수 있는 초기 별집단 성질—예를 들어 별 형성 효율, 초기 반지름 반경, 가스 탈출 시간 상수—를 제약하기 위해.
• 고항성 기울기 또는 장기 궤도 주기를 가진 별집단에서 관측된 O-Na 및 Mg-Al 반대관계를 가스 탈출이 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 천체역학적 진화의 맥락에서 빠르게 회전하는 거대 별(FAST-ROTATING MASSIVE STAR, WFRMS) 시나리오가 화학적 자가풍부화에 실현 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 초기 가스 탈출이 초신성에 의해 유도되는 N-body 시뮬레이션으로, 두 개의 천체역학적·화학적으로 구별되는 별 집단을 포함한다.
• 첫째 세대 별은 더 넓은 반경 분포를 할당하고, 둘째 세대 별은 관측된 운동 및 화학적 분리 상태를 반영하기 위해 더 중심에 집중된 분포로 초기화된다.
• 가스 탈출은 별집단의 교차 시간과 유사한 시간 상수를 가진 급격한 질량 손실로 모델링되며, 초신성에 의해 유도되는 유출을 시뮬레이션한다.
• 시뮬레이션은 탈출 후 양 별 집단의 생존 및 반경 분포를 추적하며, 최종적으로 별집단에 묶여 있는 둘째 세대 별의 비율에 집중한다.
• 관측 제약 조건을 만족시키기 위해 별 형성 효율(SFE), 초기 반지름 반경, tidal 장력 강도 등의 초기 별집단 파rameter를 다양하게 조정한다.
• 모델은 빠르게 회전하는 거대 별의 천천히 흩어지는 바람이 간성 물질을 풍부화시키며, 이로 인해 화학적 특성이 뚜렷한 둘째 세대 별이 형성된다고 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 가스 탈출이 첫째 세대 별을 선택적으로 제거하면서도 둘째 세대 별의 고비율을 유지할 수 있는가?
• RQ2 관측된 60%의 둘째 세대 별 비율을 재현하기 위해 필요한 초기 별집단 조건(예: SFE, 초기 농도, 탈출 시간 상수)은 무엇인가?
• RQ3 형성 기간 동안 둘째 세대 별의 반경 분포가 가스 탈출 후 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 가스 탈출이 궤도 파rameter(예: 기울기, 주기)와 O-Na 및 Mg-Al 반대관계의 정도 사이의 관계를 설명할 수 있는가?
• RQ5 가스 탈출이 천체역학적 진화에 포함된 경우, 빠르게 회전하는 거대 별의 천천히 흩어지는 바람이 화학적 풍부화의 실현 가능한 원천이 될 수 있는가?

주요 결과

• 초기 가스 탈출은 첫째 세대 별이 더 넓은 분포를 가지므로 우선적으로 제거되며, 초기에 더 중심에 집중된 둘째 세대 별은 별집단에 남아 있다.
• 가장 유리한 조건에서, 둘째 세대 별은 오늘날 별집단에 묶여 있는 별의 최대 60%를 차지할 수 있으며, 이는 관측 추정치와 일치한다.
• 최종 둘째 세대 별 비율은 별 형성 효율이 약 0.33일 때 가장 높으며, 이는 관측된 별집단 질량과 초기 조건과 일치한다.
• 초기 별집단의 반지름 반경은 1–3 pc로 제약되며, 가장 질량이 큰 별집단의 경우 최대 4–5 pc까지 가능하다. 전체 원시-GC 기체 구름 질량은 수 ×10⁶ M☉이며, NGC 6752와 같은 별집단의 경우 최대 9×10⁶ M☉에 이른다.
• 가스 탈출 후에도 두 별 집단의 반경 분포는 뚜렷하게 구분되며, 장기적인 천체역학적 진화가 둘째 세대 별 비율을 더욱 증가시킨다.
• 장기적인 진화 중 가스 탈출과 tidal 손실의 조합은 현재의 구형별집단에서 관측된 둘째 세대 별 비율을 재현할 수 있다.