[论文解读] Evolution of two stellar populations in globular clusters II. Effects of primordial gas expulsion

T. Decressin, Holger Baumgardt+2 more|Queensland's institutional digital repository (The University of Queensland)|Mar 30, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 68被引用 57

一句话总结

本文研究了球状星团中原始气体喷射如何通过动力学过程使第二代恒星富集，表明气体喷射优先驱逐第一代恒星，同时保留更集中分布的第二代恒星。当恒星形成效率约为0.33时，该模型再现了现今星团中高达60%的第二代恒星比例。

ABSTRACT

We investigate the early evolution of two distinct populations of low-mass stars in globular clusters under the influence of primordial gas expulsion driven by supernovae to study if this process can increase the fraction of second generation stars at the level required by observations. We analyse N-body models that take into account the effect of primordial gas expulsion. We divide the stars into two populations which mimic the chemical and dynamical properties of stars in globular clusters so that second generation stars start with a more centrally concentrated distribution. The main effect of gas expulsion is to eject preferentially first generation stars while second generation stars remain bound to the cluster. In the most favourable cases second generation stars can account for 60% of the bound stars we see today. We also find that at the end of the gas expulsion phase, the radial distribution of the two populations is still different, so that long-term evolution will further increase the fraction of second generation stars. The large fraction of chemically anomalous stars is readily explainable as a second generation of stars formed out of the slow winds of rapidly rotating massive stars if globular clusters suffer explosive residual gas expulsion for a star formation efficiency of about 0.33.

研究动机与目标

• 确定原始气体喷射是否能够解释球状星团中观测到的第二代恒星高比例。
• 研究形成期间第二代恒星的径向分异如何影响气体喷射后其保留率。
• 约束初始星团属性（如恒星形成效率、初始半质量半径和气体喷射 timescale）以重现观测到的第二代恒星比例。
• 评估气体喷射是否能够解释轨道倾角较高或轨道周期较长的星团中观测到的O-Na与Mg-Al反相关关系。
• 评估快速旋转大质量恒星（WFRMS）情景在动力学演化背景下的化学自富集可行性。

提出的方法

• 结合由超新星驱动的原始气体喷射的N体模拟，包含两个在动力学和化学上均不同的恒星种群。
• 第一代恒星被赋予更广延的径向分布；第二代恒星则初始化为更集中的分布，以模拟观测到的动力学与化学分异。
• 气体喷射被建模为一个时间尺度与星团穿越时间相当的突然质量损失，以模拟超新星驱动的外流。
• 模拟跟踪气体喷射后两个种群的存活情况及其径向分布，重点关注最终束缚于星团的第二代恒星比例。
• 通过改变初始星团参数（如恒星形成效率（SFE）、初始半质量半径和潮汐场强度）以匹配观测约束。
• 该模型假设快速旋转大质量恒星的慢风可富集星际介质，进而形成具有独特化学特征的第二代恒星。

实验结果

研究问题

• RQ1 原始气体喷射是否能选择性地驱逐第一代恒星，同时保留高比例的第二代恒星？
• RQ2 重现观测到的60%第二代恒星比例所需的初始星团条件（如SFE、初始集中度、喷射 timescale）是什么？
• RQ3 形成期间第二代恒星的径向分异如何影响其在气体喷射后的存活率？
• RQ4 气体喷射是否能解释轨道参数（如倾角、周期）与O-Na及Mg-Al反相关程度之间的观测相关性？
• RQ5 若将气体喷射纳入动力学演化框架，快速旋转大质量恒星的慢风是否仍可作为化学富集的可行来源？

主要发现

• 由于第一代恒星分布更广，原始气体喷射优先驱逐它们，而初始更集中分布的第二代恒星则更可能保留在星团中。
• 在最理想条件下，第二代恒星可占现今星团中束缚恒星的60%，与观测估计一致。
• 第二代恒星的最终比例在恒星形成效率约为0.33时达到最高，与观测到的星团质量和初始条件一致。
• 初始星团半质量半径被限制在1–3 pc之间（对于最 massive 的星团可达4–5 pc），原始GC云总质量为数×10⁶ M☉，对于NGC 6752等星团可达9×10⁶ M☉。
• 即使在气体喷射后，两代恒星的径向分布仍保持显著不同，表明长期动力学演化进一步增强了第二代恒星的比例。
• 气体喷射与长期演化过程中的潮汐剥离相结合，可重现现今球状星团中观测到的第二代恒星比例。