[论文解读] The Fundamental Building Blocks of Galaxies

Pavel Kroupa|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2004

Astronomy and Astrophysical Research被引用 10

一句话总结

该论文提出，年轻、正在喷射气体的星团——尤其是含有O型星的星团——在气体喷射后由于超致密的速度弥散而迅速膨胀，从而驱动星系中的恒星运动学。该机制或可解释银河系盘面中年龄-速度弥散关系的成因，并提供一种无需依赖星系卫星并合的厚盘形成机制。

ABSTRACT

Most stars form in compact, dense embedded clusters with memberships ranging from a dozen stars to many millions of stars. Embedded clusters containing more than a few hundred stars also contain O stars that disrupt the nebula abruptly. There are observational indications that the expulsion of gas from such clusters may occur within, or even quicker than, a stellar crossing-time scale. Because the star-formation efficiency is empirically deduced to be typically lower than 40 per cent, such clusters are left severely out of dynamical equilibrium with a super-virial velocity dispersion when they are exposed. As a consequence, they expand drastically. The velocity dispersion of expanding star-burst clusters may achieve values of a few tens km/s, which would have a significant impact on the stellar velocity distribution function and therefore the morphology of a galaxy. An application of these ideas to the vertical structure of the Milky Way (MW) disk suggests that such popping star clusters may constitute the missing heat source for understanding the age-velocity-dispersion relation. If the early MW disk experienced a vigorous epoch of star formation then perhaps even the thick disk may have formed from popping clusters. Thus we have an alternative hypothesis to understanding thick disks which does not rely on, or may act in addition to, sinking galaxy satellites or sinking cosmological sub-structures. The GAIA mission will test this hypothesis by allowing the kinematical fields around young clusters to be mapped to exquisite precision.

研究动机与目标

• 研究年轻、富含气体的星团的动力学演化如何影响星系的运动学与结构。
• 评估在类似ONC和R136的年轻星团中观测到的超致密速度弥散是否可解释太阳邻域观测到的年龄-速度弥散关系。
• 检验厚盘的形成是否可由膨胀星团的动力学加热作用解释，而非仅依赖于星系卫星吸积。
• 探讨嵌入星团质量函数随时间演化对星系结构与运动学的影响。
• 为利用GAIA任务的高精度天体测量数据验证这些观点奠定基础。

提出的方法

• 分析年轻嵌入星团（如金牛座、ρ Oph、ONC、R136、双鼠星系）的观测数据，估算穿越时间（$t_{\rm cr}$）和弛豫时间（$t_{\rm rel}$），并与星团年龄进行比较。
• 利用观测到的恒星形成效率（≤40%）推断星团在气体喷射后处于超致密平衡状态，导致快速膨胀。
• 应用维里定理，基于喷射前的星团质量和半径估算喷射后的速度弥散。
• 模拟在时变银河系势场中由星团形成的恒星族的动力学演化，计算速度分布函数 $\mathcal{D}(v_x,v_y,v_z)$。
• 依赖N体模拟和流体动力学模型理解星团早期形成与反馈过程，尽管承认完整物理建模存在局限。
• 提出GAIA将测量扩展运动群中星团质量与速度弥散之间的相关性 $\sigma_{\rm MGI} = \mathcal{K}_{\rm obs}(M_{\rm cl})$。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用爆炸性气体喷射解释ONC和R136等年轻星团中观测到的超致密速度弥散？
• RQ2 膨胀星团在多大程度上可解释银河系薄盘中观测到的年龄-速度弥散关系？
• RQ3 银河系厚盘是否为过去剧烈恒星形成时期形成的大质量膨胀星团动力学加热的自然结果？
• RQ4 嵌入星团质量函数随时间的演化如何影响星系盘的长期运动学结构？
• RQ5 GAIA任务能否探测到膨胀恒星族中星团质量与速度弥散之间的预测相关性？

主要发现

• ONC和R136等年轻星团表现出超致密速度弥散，表明其在气体喷射后处于动力学非平衡状态。
• 爆炸性气体喷射的时间尺度短于或与穿越时间相当，导致快速膨胀和数10 km/s量级的速度弥散。
• 太阳邻域观测到的速度弥散可由膨胀星团的累积加热作用解释，表明它们是年龄-速度弥散关系中缺失的加热源。
• 厚盘可能是在早期剧烈恒星形成时期由此类膨胀星团形成，为星系卫星并合假说提供了一种替代解释。
• 嵌入星团的质量函数可能随时间演化，最大星团质量随恒星形成率下降而减小，与观测结果一致。
• GAIA有望检验膨胀恒星族中星团质量与速度弥散之间的预测相关性，为该模型提供关键的实证验证。