[论文解读] On the Dynamical Evolution of the Arches Cluster

Sourav Chatterjee, Sanghamitra Goswami+4 more|ArXiv.org|Nov 8, 2009

Material Science and Thermodynamics参考文献 3被引用 3

一句话总结

本研究利用N体模拟探究了银河系中心Arches星团中观测到的质量分层与顶重的初始质量函数（IMF）是否为原始形成条件所致，或为动力学演化结果。结果表明，若初始IMF为标准Kroupa IMF且无原始质量分层，则无法重现当前的质量分层；但若IMF具有原始质量分层，则会在2–3 Myr内触发碰撞暴增，可能形成极高质量恒星（VMS）或中等质量黑洞（IMBH），具体取决于恒星风的质量损失。

ABSTRACT

We study the dynamical evolution of the young star cluster Arches and its dependence on the assumed initial stellar mass function (IMF). We perform many direct $N$-body simulations with various initial conditions and two different choices of IMFs. One is a standard Kroupa IMF without any mass segregation. The other is a radially dependent IMF, as presently observed in the Arches. We find that it is unlikely for the Arches to have attained the observed degree of mass segregation at its current age starting from a standard non-segregated Kroupa IMF. We also study the possibility of a collisional runaway developing in the first $\sim 2-3 m{Myr}$ of dynamical evolution. We find that the evolution of this cluster is dramatically different depending on the choice of IMF: if a primordially mass segregated IMF is chosen, a collisional runaway should always occur between $2-3 m{Myr}$ for a broad range of initial concentrations. In contrast, for a standard Kroupa IMF no collisional runaway is predicted. We argue that if Arches was created with a mass segregated IMF similar to what is observed today then at the current cluster age a very unusual, high-mass star should be created. However, whether a collisional runaway leads to the formation of an intermediate-mass black hole (IMBH) depends strongly on the mass loss rate via winds from massive stars. Growth of stellar mass through collisions can be quenched by strong wind mass loss. In that case, the inter-cluster as well as intra-cluster medium are expected to have a significant Helium enrichment which may be observed via Helium recombination lines. The excess amount of gas lost in winds may also be observed via X-ray observations as diffused X-ray sources.

研究动机与目标

• 确定Arches星团中观测到的质量分层是否由动力学演化所致，或源于原始形成条件。
• 评估不同初始质量函数（IMF），特别是Arches星团中观测到的径向依赖IMF，对动力学演化及碰撞暴增的影响。
• 探究在Arches星团估计年龄2±1 Myr内，通过碰撞暴增形成极高质量恒星（VMS）或中等质量黑洞（IMBH）的可能性。
• 评估此类暴增过程的观测特征，包括氦富集与恒星风产生的X射线辐射。

提出的方法

• 对Arches星团进行直接N体模拟，采用不同初始条件及两种IMF：标准非分层Kroupa IMF与匹配当前观测的径向依赖、质量分层IMF。
• 使用参数化模型模拟从预恒星核（PSCs）形成恒星的过程，其中星团中心更高的核密度导致PSC碰撞，优先形成大质量恒星。
• 追踪恒星碰撞与质量增长的演化过程，特别关注碰撞暴增的启动与进展。
• 应用Glebbeek等人（2009）的风质量损失方案，模拟碰撞产物的演化，估算质量损失率与氦富集程度。
• 模拟极高质量恒星（VMS）、中等质量黑洞（IMBH）的潜在形成，以及相关观测特征（如禁线与X射线辐射）。
• 分析碰撞序列中的统计涨落，评估双碰撞暴增与双星形成的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准非分层Kroupa IMF下，能否通过动力学演化重现Arches星团当前的质量分层数度？
• RQ2 原始质量分层IMF是否会在前2–3 Myr内触发碰撞暴增，与星团估计年龄一致？
• RQ3 在Arches星团中，通过碰撞暴增形成极高质量恒星（VMS）或中等质量黑洞（IMBH）的可能性有多大？
• RQ4 强烈的恒星风如何影响通过碰撞增长的大质量恒星，其结果会带来何种观测特征（如氦富集、X射线辐射）？
• RQ5 能否从Arches星团的初始条件与IMF预测出类似Pistol星的天体或双碰撞暴增？

主要发现

• 标准非分层Kroupa IMF无法在星团当前年龄下重现Arches星团中观测到的质量分层程度。
• 在原始质量分层IMF条件下，碰撞暴增在不同初始集中度下均于2–3 Myr间一致启动。
• 在质量分层IMF模拟中，即使无原始双星，双碰撞暴增仍会发生，原因在于大质量恒星储备显著增强。
• 若恒星风质量损失较强，VMS形成将被抑制，取而代之的是形成氦丰度$X_{He,S} > 0.9$的富氦恒星，从而富集星团及周围介质。
• 喷射出的富氦气体可在距离星团中心3–7 pc以外通过禁线观测检测到。
• X射线观测可能揭示来自风物质的弥散X射线辐射，为碰撞暴增提供间接证据。