[论文解读] Inverse dynamical population synthesis: Constraining the initial conditions of young stellar clusters by studying their binary populations

Michael Marks, Pavel Kroupa|arXiv (Cornell University)|May 7, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 104被引用 110

一句话总结

本文提出，仅通过动力学演化——无需改变初始双星属性——即可解释不同年轻星团中观测到的多重性分数和轨道分布。通过将反向动力学群体合成应用于N体模型，研究发现初始星团密度的变化（从1到2×10⁴颗星 pc⁻³）可重现猎户座、金牛座、IC 348等区域的观测双星群体，揭示出恒星质量与半质量半径之间存在微弱的相关性：r_h ∝ M_ecl^0.13±0.04。

ABSTRACT

Binary populations in young star clusters show multiplicity fractions both lower and up to twice as high as those observed in the Galactic field. We follow the evolution of a population of binary stars in dense and loose star clusters starting with an invariant initial binary population and a formal multiplicity fraction of unity, and demonstrate that these models can explain the observed binary properties in Taurus, Rho-Ophiuchus, Chamaeleon, Orion, IC 348, Upper Scorpius A, Praesepe, and the Pleiades. The model needs to consider solely different birth densities for these regions. The evolved theoretical orbital-parameter distributions are highly probable parent distributions for the observed ones. We constrain the birth conditions (stellar mass, M_ecl, and half-mass radius, r_h) for the derived progenitors of the star clusters and the overall present-day binary fractions allowed by the present model. The results compare very well with properties of molecular cloud clumps on the verge of star formation. Combining these with previously and independently obtained constraints on the birth densities of globular clusters, we identify a weak stellar mass -- half-mass radius correlation for cluster-forming cloud clumps, r_h / pc ~ (M_ecl / M_sun)^(0.13+-0.04). The ability of the model to reproduce the binary properties in all the investigated young objects, covering present-day densities from 1-10 stars pc^-3 (Taurus) to 2x10^4 stars pc^-3 (Orion), suggests that environment-dependent dynamical evolution plays an important role in shaping the present-day properties of binary populations in star clusters, and that the initial binary properties may not vary dramatically between different environments.

研究动机与目标

• 确定环境依赖的动力学演化是否能在不假设环境依赖的初始双星形成的前提下，解释年轻星团中观测到的双星群体特性。
• 通过双星演化的反向建模，约束观测到的年轻星团的初始条件（恒星质量 M_ecl 和半质量半径 r_h）。
• 检验是否存在一个普遍的初始双星群体，能够重现具有截然不同现今密度的星团中观测到的多重性分数。
• 从动力学约束中推导出星团质量与大小在形成时的标度关系，将星团形成与分子云团块特性联系起来。

提出的方法

• 本研究使用反向动力学群体合成方法，从八个年轻星团中观测到的双星特性推断初始星团条件。
• N体模拟模拟了从具有统一多重性分数的普遍初始双星分布出发的富双星群体演化。
• 该方法将观测到的轨道参数分布反演，以推断最能重现数据的初始星团密度、质量与半质量半径。
• 通过将理论演化后的双星分布与金牛座、蛇夫座ρ、蝘蜓座、猎户座、IC 348、上蝎虎座A、 Praesepe 和昴星团的观测分布相匹配，约束初始条件。
• 分析结合了先前关于球状星团形成密度的研究结果，将关系扩展至更广泛的星团质量范围。
• 从综合数据中得出幂律标度关系 r_h ∝ M_ecl^0.13±0.04，将星团大小与形成时的质量联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠动力学演化是否足以解释具有不同现今密度的年轻星团中观测到的双星分数范围？
• RQ2 为重现金牛座、猎户座、IC 348等星团中观测到的双星群体，所需的初始星团条件（M_ecl, r_h）是什么？
• RQ3 是否存在一个普遍的初始双星群体，能够解释在不同环境中观测到的多重性特性？
• RQ4 观测到的双星群体差异是源于初始形成差异，还是形成后的动力学演化？
• RQ5 从动力学建模中推断出的星团质量与半质量半径在形成时的内在关系是什么？

主要发现

• 该模型仅通过初始星团密度的变化，成功重现了所有八个研究的年轻星团中观测到的双星多重性分数和轨道分布。
• 金牛座（现今密度较低，约1–10颗星 pc⁻³）的双星群体基本未演化，与初始密度约10颗星 pc⁻³的低密度环境一致。
• 猎户座（现今密度较高，约2×10⁴颗星 pc⁻³）需要高初始密度（约10⁴颗星 pc⁻³）才能匹配观测到的双星特性。
• IC 348、昴星团，以及 Praesepe、蛇夫座ρ 和蝘蜓座，具有相似的推断初始密度，表明其经历了相似的动力学演化历史。
• 本研究揭示了初始星团质量与半质量半径之间存在微弱但显著的相关性：r_h / pc ∝ (M_ecl / M☉)^0.13±0.04，与分子云团块观测结果一致。
• 结果支持存在普遍初始双星群体的假设，即观测到的双星特性差异主要源于动力学演化，而非初始形成差异。