[论文解读] Star cluster ecology III: Runaway collisions in young compact star clusters

Simon Portegies Zwart, Junichiro Makino+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 1998

Astronomy and Astrophysical Research被引用 24

一句话总结

该论文通过自洽包含恒星演化和物理碰撞的N体模拟，研究了年轻致密星团（如R 136）中恒星的 runaway 碰撞。研究发现，由于质量分离和双星形成，致密核心区域的碰撞率远超截面估算，导致大质量恒星在3–4 Myr内通过反复并合迅速增长，形成单个超过100 M☉的恒星，产生可观测的蓝离散星类天体。

ABSTRACT

The evolution of young compact star clusters is studied using N-body simulations in which both stellar evolution and physical collisions between stars are taken into account. The initial conditions are chosen to represent R136, a compact star cluster in the 30 Doradus region of the Large Magellanic Cloud. The present runs do not include the effects of primordial binaries. We find that physical collisions between stars in these models are frequent, and that the evolution of the most massive stars and the dynamical evolution of the cluster are closely coupled. In all cases, a single star grows steadily in mass through mergers with other stars, forming a very massive (>100 Msun) star in less than 3-4 Myr. The growth rate of this runaway merger is much larger than estimates based on simple cross-section arguments, mainly because the star is typically found in the core and tends to form binaries with other massive stars there. The runaway is ``rejuvenated'' by each new collision, and its lifetime is extended considerably as a consequence. Observationally, such a star will appear in the Hertzsprung-Russell diagram as a blue straggler. When the runaway forms a black hole, the binary in which it is found is usually dissociated.

研究动机与目标

• 研究年轻致密星团（如R 136）中恒星动力学与碰撞的相互作用。
• 探究物理碰撞是否能在致密星团核心形成极高质量恒星（>100 M☉）。
• 评估恒星质量损失对 runaway 并合过程及其作为蓝离散星或黑洞的可观测性的影响。
• 量化碰撞率，并确定为何在致密环境中碰撞率远超简单截面估算。

提出的方法

• 使用Starlab环境中的kira积分器，采用四阶赫尔mite时间积分方案进行N体模拟。
• 引入主序星的恒星演化方案，包含可变质量损失，采用三种不同公式以测试敏感性。
• 通过三体相互作用和引力聚焦，在致密核心区域显式处理恒星碰撞和双星形成。
• 利用GRAPE-4硬件高效计算大规模N体系统（最多12,000颗恒星）中的引力作用力。
• 建模动力摩擦和质量分离，追踪大质量恒星向星团核心的迁移。
• 分析 runaway 并合产物核心坍缩后双星解体和黑洞弹射的过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在年轻致密星团（如R 136）中，runaway 恒星碰撞是否能在数百万年内形成极高质量恒星（>100 M☉）？
• RQ2 为何模拟中观测到的碰撞率显著高于简单截面估算？
• RQ3 主序阶段的恒星质量损失如何影响 runaway 并合产物的形成与存活？
• RQ4 此类并合产物可能产生何种观测特征——例如蓝离散星或X射线双星？
• RQ5 双星形成和质量分离在多大程度上增强了致密星团核心区域的碰撞概率？

主要发现

• 一颗恒星在3–4 Myr内通过反复碰撞增长至超过120 M☉，通过 runaway 并合形成极高质量天体。
• 模拟中的碰撞率比简单截面估算高出10倍以上，主要归因于星团核心的质量分离和双星形成。
• 每次新碰撞都会“重启动”runaway 并合过程，延迟其坍缩，使其寿命超出孤立恒星演化的预期。
• 最质量的恒星通常位于核心，并与其它大质量恒星形成密近双星，从而提高其有效碰撞截面。
• 即使存在强烈的主序阶段质量损失，runaway 并合过程依然持续，尽管表现稍弱。
• 当 runaway 并合产物坍缩为黑洞时，通常位于密近双星中，坍缩后双星解体，导致黑洞被弹射并随后通过质量分离重新捕获至核心。