[论文解读] In situ formation of the massive stars around SgrA*

Michela Mapelli, T. Hayfield+2 more|ArXiv.org|May 2, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 9

一句话总结

本文提出，围绕SgrA*的大质量恒星是在分子云向银河系中心下坠过程中，因潮汐力压缩形成致密盘状结构而原位形成的，从而实现快速恒星形成。模拟显示，在约60万年内，约6000 M☉的恒星在厚度极薄的盘状结构（0.06–0.5 pc）中形成，其性质与观测结果一致，并呈现出上重的初始质量函数。

ABSTRACT

The formation of the massive young stars surrounding SgrA* is still an open question. In this paper, we simulate the infall of an isothermal, turbulent molecular cloud towards the Galactic Centre (GC). As it spirals towards the GC, the molecular cloud forms a small and dense disc around SgrA*. Efficient star formation (SF) is expected to take place in such a dense disc. We model SF by means of sink particles. At ~6x10^5 yr, ~6000 solar masses of stars have formed, and are confined within a thin disc with inner and outer radius of 0.06 and 0.5 pc, respectively. Thus, this preliminary study shows that the infall of a molecular cloud is a viable scenario for the formation of massive stars around SgrA*. Further studies with more realistic radiation physics and SF will be required to better constrain this intriguing scenario.

研究动机与目标

• 探究围绕SgrA*的大质量年轻恒星是否可由向银河系中心下落的分子云原位形成。
• 确定潮汐压缩与盘状结构的形成是否足以克服超大质量黑洞潮汐力的破坏效应。
• 检验在致密、自引力盘状结构中形成恒星是否能重现SgrA*周围恒星盘的观测质量、半径及初始质量函数。
• 评估原位形成情景作为星团下落模型的替代方案的可行性。

提出的方法

• 使用N体/光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，研究质量为4.3×10⁴ M☉、半径15 pc、等温的分子云向SgrA*（质量为3.5×10⁶ M☉）下落的过程。
• 采用吸积粒子方法模拟恒星形成，质量吸积与反馈以现象学方式处理。
• 引力势能包含超大质量黑洞和一个刚性背景势能，以匹配观测到的银河系中心密度分布。
• 通过k⁻⁴幂律谱种子湍流速度场，以模拟星际湍流，并实现速度弥散度随尺度l¹ᐟ²的标度关系。
• 初始云团处于边缘自束缚状态，温度为10 K，与致密分子气体一致。
• 假设双星分数为0.5，且成对恒星质量相等，以更好地匹配观测到的恒星质量函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用单个分子云的下落与潮汐压缩来解释SgrA*附近大质量恒星的原位形成？
• RQ2 在形成的气态盘中，何种条件可导致高效、快速的恒星形成并产生上重的初始质量函数？
• RQ3 围绕超大质量黑洞的致密盘状结构如何克服母云团的潮汐撕裂？
• RQ4 在云团下落的模拟中，能否重现观测到的恒星盘的空间分布与质量（0.06–0.5 pc，约6000 M☉）？
• RQ5 盘状结构的Toomre稳定性参数在决定特征恒星质量方面起什么作用？

主要发现

• 在约6×10⁵年时，约6000 M☉的恒星在厚度极薄的盘状结构中形成，其内半径与外半径分别为0.06 pc与0.5 pc，与观测到的盘状结构尺寸一致。
• 模拟得到的恒星初始质量函数为上重型，最亮恒星质量达161 M☉，与SgrA*附近年轻大质量恒星的观测结果一致。
• Toomre最不稳定长波长（λₘᵤ）在约0.37 pc处达到~4.1×10¹⁶ cm，预测特征恒星质量约为30 M☉，与模拟结果相符。
• 由于气体密度极高，恒星形成在盘状结构中早期即启动，绝大多数气体在约60万年内转化为恒星。
• 相比之下，孤立云团模拟中，大质量恒星在约12 Myr后才开始形成，证实超大质量黑洞的动力学影响对实现快速、大质量恒星形成至关重要。
• 即使将恒星形成 timescale 延长五倍，结果仍保持一致，且仍在观测到的<2 Myr形成窗口范围内。