[论文解读] Evolution of stellar collision products in open clusters. II. A grid of low-mass collisions

E. Glebbeek, O. R. Pols|ArXiv.org|Jun 4, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 42被引用 22

一句话总结

本文针对疏散星团中的低质量恒星碰撞产物，系统构建了详细的恒星演化模型网格，利用熵排序与一维恒星演化代码，追踪从收缩阶段到主序及红巨星分支的残余物演化。结果表明，碰撞产物与M67和NGC 188中观测到的蓝离散星位置一致，其寿命与光度与正常恒星显著不同，并为N体模拟提供了准确建模此类残余物的解析公式。

ABSTRACT

In a companion paper we studied the detailed evolution of stellar collision products that occurred in an $N$-body simulation of the old open cluster M67 and compared our detailed models to simple prescriptions. In this paper we extend this work by studying the evolution of the collision products in open clusters as a function of mass and age of the progenitor stars. We calculated a grid of head-on collisions covering the section of parameter space relevant for collisions in open clusters. We create detailed models of the merger remnants using an entropy-sorting algorithm and follow their subsequent evolution during the initial contraction phase, through the main sequence and up to the giant branch with our detailed stellar evolution code. We compare the location of our models in a colour-magnitude diagram to the observed blue straggler population of the old open clusters M67 and NGC 188 and find that they cover the observed blue straggler region of both clusters. For M67, collisions need to have taken place recently. Differences between the evolution tracks of the collision products and normal main sequence stars can be understood quantitatively using a simple analytic model. We present an analytic recipe that can be used in an $N$-body code to transform a precomputed evolution track for a normal star into an evolution track for a collision product.

研究动机与目标

• 系统建模疏散星团中低质量恒星碰撞产物的演化，覆盖蓝离散星形成的相关参数空间。
• 理解并揭示并合残余物的内部结构与演化特性如何依赖于初始恒星质量、年龄及熵分布。
• 将详细碰撞模型与M67和NGC 188中观测到的蓝离散星群体进行比较，特别关注颜色-星等图的一致性。
• 推导一种简化的解析公式，用于在N体模拟中将正常恒星演化轨迹转换为准确的碰撞产物轨迹。
• 量化碰撞产物与正常恒星在主序寿命、光度与半径方面的差异，尤其与现有模型处方进行对比。

提出的方法

• 计算了一系列共演化、低质量主序星（总质量 ≤ 2.4 M☉）的正碰碰撞，覆盖了不同的质量比与初始恒星年龄。
• 采用熵排序算法，从两个初始恒星重建并合残余物的初始结构，以保持熵与成分梯度。
• 使用完全隐式的一维恒星演化代码，详细追踪每个残余物的演化过程，包括收缩、主序演化及红巨星分支上升阶段。
• 通过颜色-星等图将模型与M67和NGC 188中观测到的蓝离散星序列进行比较，评估一致性。
• 基于初始质量与年龄对光度、半径与寿命的依赖关系，推导出一种解析公式，用于将正常恒星演化轨迹映射为碰撞产物轨迹。
• 利用熵与成分分布图分析核心下沉（主星或次星）与分子量反转的影响，对混合情形（M、P、S）进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 碰撞产物的光度、半径与主序寿命与同质量的正常主序星相比有何不同？
• RQ2 在何种参数空间（质量比、初始恒星年龄）下，不同混合构型（主星核心下沉、次星核心下沉或混合）会在并合残余物中出现？
• RQ3 详细碰撞模型在颜色-星等图中能在多大程度上重现M67与NGC 188中观测到的蓝离散星序列？
• RQ4 能否推导出一种简化的解析公式，以在N体模拟中准确表示碰撞产物演化，从而替代完整的详细计算？
• RQ5 初始恒星中的熵与成分梯度如何决定并合残余物的内部结构与长期演化？

主要发现

• 该模型网格中的碰撞产物在M67与NGC 188的颜色-星等图中均覆盖了观测到的蓝离散星区域，证实其作为蓝离散星前身星的可行性。
• 碰撞残余物比同质量的正常主序星更明亮，但不如完全混合模型更蓝，其主序寿命短于Hurley et al. (2001) BSE模型的预测。
• 识别出三种不同的混合情形：'M'（混合核心）适用于质量接近相等的碰撞；'P'（主星核心下沉）出现在主星已演化时；'S'（次星核心下沉）出现在次星演化程度较低时，尤其在质量比 ≲0.4 时显著。
• 在'S'情形中，一个富含氦的层会覆盖在富含氢的核心之上，形成明显的分子量反转，从而在核心边缘支持氢燃烧壳层。
• 所推导的解析公式可通过调整初始质量与年龄来改变光度、半径与寿命，实现将正常恒星演化轨迹转换为碰撞产物轨迹，从而高效应用于N体模拟。
• 对于M67，模型表明碰撞必须是近期发生的，因为更老的残余物早已演化出观测到的蓝离散星区域。