[论文解读] 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 15

一句话总结

本研究调查了年轻M17星形成区中11颗大质量预主序及近主序恒星的低径向速度弥散度（σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹），以约束其多星性质。通过合成群体建模，发现观测到的弥散度与高双星分数或大量短周期双星不相容，表明大质量恒星可能以较大的轨道分离度形成，并通过迁移过程硬化，以匹配较老OB星协中观测到的紧凑双星分布。

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 > 9 months) are able to reproduce the low sigma_rv observed within their 68%-confidence intervals. Parent populations with f_bin > 0.42 or P_cutoff < 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.

研究动机与目标

• 量化极年轻M17星形成区（年龄 <1 Myr）中大质量年轻恒星对象（mYSOs）的多星性质。
• 确定在11颗大质量恒星中观测到的低径向速度弥散度（σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹）是否与较老OB型星群的已知多星性质一致。
• 检验低弥散度是否由低双星分数或短周期双星匮乏引起，特别是周期 <9个月的双星。
• 探讨观测约束是否意味着大质量双星以更大的分离度形成，并随后通过迁移过程硬化。
• 评估M17中轨道周期分布的截断是否反映了恒星形成过程中的物理尺度长度，如原主序恒星半径或吸积盘尺寸。

提出的方法

• 通过模拟具有不同双星分数（f_bin）和周期分布（P_cutoff）的大质量恒星合成群体，以重现观测到的径向速度弥散度。
• 计算每个合成群体的一维径向速度弥散度（σ₁D），并使用统计置信区间将其与观测值（5.6 ± 0.2 km s⁻¹）进行比较。
• 使用68%置信区间评估哪些多星模型与数据一致，并排除落在这些区间之外的模型。
• 测试两种主要情景：(1) 低双星分数（f_bin < 0.42），以及(2) 截断周期分布（P_cutoff > 47天）。
• 将结果与较老（数Myr）OB型星群中观测到的多星性质进行比较，其中40–50%的双星周期 <1个月。
• 评估推导出的P_cutoff ≈ 8 yr 或 P_cutoff > 9个月是否与物理尺度相关，如原主序恒星半径（~100 R⊙）或吸积盘尺寸（~10 AU）。

实验结果

研究问题

• RQ1 M17中观测到的低径向速度弥散度（σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹）是否与较老OB星协中观测到的高双星分数和短周期双星丰度一致？
• RQ2 观测到的弥散度是否可由低双星分数（f_bin < 0.42）或截断周期分布（P_cutoff > 9个月）解释？
• RQ3 M17中缺乏短周期双星是否表明大质量恒星的形成轨道分离度大于以往假设的值？
• RQ4 观测到的周期截断（P_cutoff ≈ 8年或 >9个月）是否在物理上与原主序恒星或其吸积盘的大小相关？
• RQ5 如果M17群体代表更早的演化阶段，这是否意味着存在一种迁移或硬化过程，使宽距双星在约1 Myr内转变为紧凑系统？

主要发现

• 低双星分数（f_bin = 0.12⁻⁰.⁰⁹⁺⁰.¹⁶）在68%置信区间内与观测到的径向速度弥散度（σ₁D = 5.6 ± 0.2 km s⁻¹）一致。
• 周期截断分布（P_cutoff > 9个月）也与观测弥散度一致，表明短周期双星匮乏。
• 双星分数高于 f_bin > 0.42 或周期截断低于 P_cutoff < 47天的模型在5%显著性水平下被拒绝，表明这些模型与数据不一致。
• 最可能的周期截断为 P_cutoff ≈ 8年，对应轨道分离度约10 AU，与在大质量恒星周围探测到的残余吸积盘尺寸一致（Kraus et al., 2010）。
• 观测约束表明，大质量恒星可能以较大的轨道分离度（≥100 R⊙）形成，并在约1 Myr的时间尺度内通过向内迁移或硬化过程，转变为与较老OB星群中观测到的紧凑双星分布一致的系统。
• 结果支持一种形成情景：大质量双星最初在大分离度下形成，随后通过与吸积盘或其他原恒星体的相互作用而硬化，与涉及迁移的盘碎片化理论一致。