[论文解读] Great Balls of FIRE I: The formation of star clusters across cosmic time in a Milky Way-mass galaxy

Michael Y Grudić, Zachary Hafen+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 3

一句话总结

本研究提出一种后处理方法，通过将自洽形成的巨大分子云（GMCs）从FIRE-2 MHD模拟映射到星团群体，实现对银河系质量星系中星团形成的建模。该方法基于校准至高分辨率模拟的GMC尺度星团形成模型。关键结果表明，星团形成效率（Γ）随局部星际介质（ISM）条件变化，总体达到13%；星团的初始质量函数并非普适，而是随宇宙时空中和环境演化，致密且高密度的星团在高Σgas和高ΣSFR区域形成。

ABSTRACT

The properties of young star clusters formed within a galaxy are thought to vary in different interstellar medium (ISM) conditions, but the details of this mapping from galactic to cluster scales are poorly understood due to the large dynamic range involved in galaxy and star cluster formation. We introduce a new method for modeling cluster formation in galaxy simulations: mapping giant molecular clouds (GMCs) formed self-consistently in a FIRE-2 MHD galaxy simulation onto a cluster population according to a GMC-scale cluster formation model calibrated to higher-resolution simulations, obtaining detailed properties of the galaxy's star clusters in mass, metallicity, space, and time. We find $\sim 10\%$ of all stars formed in the galaxy originate in gravitationally-bound clusters overall, and this fraction increases in regions with elevated $\Sigma_{ m gas}$ and $\Sigma_{ m SFR}$, because such regions host denser GMCs with higher star formation efficiency. These quantities vary systematically over the history of the galaxy, driving variations in cluster formation. The mass function of bound clusters varies -- no single Schechter-like or power-law distribution applies at all times. In the most extreme episodes, clusters as massive as $7 imes 10^6 M_\odot$ form in massive, dense clouds with high star formation efficiency. The initial mass-radius relation of young star clusters is consistent with an environmentally-dependent 3D density that increases with $\Sigma_{ m gas}$ and $\Sigma_{ m SFR}$. The model does not reproduce the age and metallicity statistics of old ($>11 m Gyr$) globular clusters found in the Milky Way, possibly because it forms stars more slowly at $z>3$.

研究动机与目标

• 理解星团属性（如质量、金属量、大小和形成时间）如何随宇宙时间和星系环境变化。
• 解决由于恒星形成物理中存在巨大动态范围，导致银河系尺度ISM条件与星团尺度属性之间缺乏统一关联模型的问题。
• 开发一种后处理框架，实现对星团群体的详细预测，而无需修改现有星系模拟。
• 检验该模型是否能再现观测到的星团统计特征，特别是古老球状星团的年龄-金属量关系。

提出的方法

• 该方法将高分辨率FIRE-2 MHD宇宙学聚焦模拟（Guszejnov et al. 2020a）中识别出的GMCs映射到一个合成星团群体。
• 采用基于高分辨率模拟校准的统计星团形成模型（G21），将GMC属性（如质量、面密度和恒星形成效率）与束缚星团的形成关联起来。
• 星团形成效率（Γ）基于局部ISM条件计算，特别是Σgas和ΣSFR，这些量与GMC面密度和恒星形成效率密切相关。
• 基于宿主GMC的属性，模型预测每个星团的初始质量函数、初始大小（有效半径）、金属量和形成时间。
• 该框架应用于银河系质量星系，实现对星团群体随宇宙时间演化的时序分析。
• 该方法设计为可直接应用于现有星系模拟，无需修改原始模拟代码。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系质量星系中，星团形成效率（Γ）如何随宇宙时间及局部ISM条件（如Σgas和ΣSFR）变化？
• RQ2 束缚星团的初始质量函数（IMF）是否随时间保持恒定，还是因环境依赖而变化？
• RQ3 观测到的星团质量-半径关系中的离散性源于何处，其随环境和时间如何演化？
• RQ4 该模型在多大程度上能再现银河系球状星团的年龄-金属量分布？
• RQ5 年轻星团的初始结构属性（如有效半径）如何依赖于其宿主GMC的面密度和恒星形成率面密度？

主要发现

• 在模拟的银河系质量星系中，星团形成效率（Γ）总体为13%，且随时间显著变化，主要受ISM条件变化影响。
• Γ与局部Σgas和ΣSFR强相关，因为这些量决定了自持引力GMC的面密度，进而控制恒星形成效率。
• 束缚星团的初始质量函数并非由单一幂律或Schechter函数描述；其形状和归一化值在宇宙时空中显著变化，反映出环境依赖性。
• 在最极端、致密且高效的GMC中，可形成质量高达7 × 10⁶ M⊙的星团，表明在极端条件下高质星团的形成是可能的。
• 全局初始质量-半径关系为Reff ∝ M_cl^0.25，但在固定环境中则遵循Reff ∝ M_cl^1/3，表明三维密度恒定，且随Σgas和ΣSFR增加而增大。
• 该模型未能再现古老银河系球状星团的年龄-金属量分布，可能是因为模拟中z > 3时恒星形成历史过慢，提示需改进高红移恒星形成描述。