[论文解读] Observations and Theory of Star Cluster Formation

Bruce G. Elmegreen, Yu. N. Efremov+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 253被引用 8

一句话总结

本文综合了观测与理论见解，探讨了星团形成的机制，提出年轻恒星聚合体通过湍流气体动力学形成，其分层结构在数个湍流穿越时间内即告形成。致密星团显示出引力弛豫导致初始亚结构被抹除的证据，而质量分离与星团束缚性则关键取决于恒星形成效率和环境压力，球状星团可能在类似星暴星系或早期星系晕环境的高压条件下形成。

ABSTRACT

Young stars form on a wide range of scales, producing aggregates and clusters with various degrees of gravitational self-binding. The loose aggregates have a hierarchical structure in both space and time that resembles interstellar turbulence, suggesting that these stars form in only a few turbulent crossing times with positions that map out the previous gas distribution. Dense clusters, on the other hand, are often well mixed, as if self-gravitational motion has erased the initial fine structure. Nevertheless, some of the youngest dense clusters also show sub-clumping, so it may be that all stellar clustering is related to turbulence. Some of the densest clusters may also be triggered. The evidence for mass segregation of the stars inside clusters is reviewed, along with various explanations for this effect. Other aspects of the theory of cluster formation are reviewed as well, including many specific proposals for cluster formation mechanisms. The conditions for the formation of bound clusters are discussed. Critical star formation efficiencies can be as low as 10% if the gas removal process is slow and the stars are born at sub-virial speeds. Environmental conditions, particularly pressure, may affect the fraction and masses of clusters that end up bound. Globular clusters may form like normal open clusters but in conditions that prevailed during the formation of the halo and bulge, or in interacting and starburst galaxies today. Various theories for the formation of globular clusters are summarized.

研究动机与目标

• 理解控制不同尺度星团形成（从松散聚合体到致密星团）的物理机制。
• 研究星际介质中的湍流如何塑造年轻恒星系统的空间与时间组织结构。
• 评估引力自束缚与气体清除在决定星团束缚性与生存能力中的作用。
• 探索球状星团可能形成的条件，包括其在早期星系晕或星暴区域等高压环境中的潜在起源。
• 评估质量分离的证据及其对星团动力学演化的影响。

提出的方法

• 分析年轻恒星聚合体与星团的观测数据，识别其结构与运动学特征。
• 应用湍流气体坍缩的理论模型，解释恒星形成中的分层聚集现象。
• 利用模拟与理论框架，模拟气体清除 timescale 对星团束缚性与恒星形成效率的影响。
• 评估维里平衡与亚维里初始速度在决定星团形成临界恒星形成效率中的作用。
• 将现今星暴星系与早期星系晕环境的条件与球状星团形成所需条件进行比较。
• 综述多种星团形成机制，包括引力不稳定性、湍流碎片化与触发形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 湍流气体动力学如何影响分层恒星聚合体与星团的形成？
• RQ2 星团要成为引力束缚系统，所需的恒星形成效率是多少？气体清除 timescale 如何影响这一效率？
• RQ3 引力弛豫在多大程度上抹除了致密恒星星团中的初始亚结构？
• RQ4 环境因素（如压力）如何决定束缚星团的数量与质量分布？
• RQ5 球状星团的形成条件与典型疏散星团相比有何异同？何种机制可解释其起源？

主要发现

• 年轻恒星聚合体表现出与星际湍流相匹配的分层结构，表明其在数个湍流穿越 timescale 内形成。
• 致密星团通常显示出引力弛豫的证据，表明初始亚结构随时间被抹除。
• 若气体清除缓慢且恒星以亚维里速度形成，临界恒星形成效率低至10%即可形成束缚星团。
• 星团中的质量分离现象已被观测到，可由双体弛豫与能量均分等动力学过程解释。
• 球状星团可能在与现今星暴星系或早期星系晕环境相似的条件下形成，暗示其与疏散星团可能具有共同的起源机制。
• 环境压力在决定形成星团的数量与质量方面起着关键作用，影响星团形成效率。