[论文解读] On the formation and evolution of the globular cluster Omega Centauri

G. Carraro, Cesario Lia|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 3

一句话总结

本文提出，ω Cen（Omega Centauri）最初作为一颗孤立的、高红移矮椭圆星系形成，通过自增丰演化，后被银河系捕获。研究利用N体/流体动力学模拟重现了其观测到的结构、运动学特征和金属度弥散。该模型成功再现了星团的核心半径、速度弥散度和双峰金属度分布，并预测存在一个延伸的暗物质晕，影响超过20角分的恒星运动学特征。

ABSTRACT

By means of N-body/hydrodynamical simulations we model the evolution of a primordial 10^{8} solar masses density peak which ends up in an object closely resembling the present day globular cluster Omega Centauri. We succeed to reproduce the main features of the cluster, namely the structure, kinematics and metallicity distribution. We suggest that Omega Centauri might be a cosmological dwarf elliptical, formed at high redshift, evolved in isolation and self-enriched, and eventually fallen inside the potential well of the Milky Way, in agreement with the Searle-Zinn (1978) paradigm for galactic globular clusters formation. We finally suggest that Omega Centauri is probably surrounded by an extended Dark Matter (DM) halo, for which no observational evidence is at present available. We expect that signatures, if any, of the DM halo can be found in the kinematics of stars outside about 20 arcmin.

研究动机与目标

• 探究ω Cen 是否可能是矮椭圆星系的残余，而非典型的球状星团。
• 使用N体和光滑粒子流体动力学（SPH）技术，模拟ω Cen 的形成与演化过程。
• 重现星团观测到的结构、运动学和化学特性，包括其金属度弥散。
• 检验ω Cen 周围存在延伸暗物质晕、影响其外层恒星运动学的假设。
• 评估该模型与Searle-Zinn球状星团形成于矮星系的范式是否一致。

提出的方法

• 模拟使用树形SPH代码，采用自适应时间步长和每个粒子可变的光滑长度。
• 初始设置包含一个质量为 $9 \times 10^7 M_\odot$ 的暗物质晕，以及一个金属度为 $10^{-4}$ 的气体组分，均匀分布在势阱内。
• 恒星形成通过依赖金属度的冷却效率建模，并引入II型和Ia型超新星以及大质量恒星风的反馈。
• 通过应用于单个气体粒子的封闭盒模型追踪化学增丰，实现随时间的自增丰。
• 引力作用力使用层次树算法计算，$\theta = 0.8$，并采用四极展开。
• 模拟演化至达到virial平衡，随后模拟恒星形成及星团最终结构的发展。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个经历自增丰的孤立矮椭圆星系能否重现ω Cen 观测到的结构和运动学特性？
• RQ2 ω Cen 的金属度分布函数（MDF）是否能自然地由一个持续且不规则的恒星形成历史在自增丰系统中产生？
• RQ3 ω Cen 观测到的高中心速度弥散度和低旋转速度是否与孤立形成和演化模型一致？
• RQ4 ω Cen 周围的暗物质分布预期如何？其外层恒星运动学是否可被探测？
• RQ5 模型中ω Cen 的潮汐半径是否与观测一致？若不一致，可能的物理过程是什么？

主要发现

• 模拟星团成功再现了观测到的核心半径2.58角分和集中度1.24，与ω Cen 的结构参数一致。
• 模型中中心速度弥散度为13 km/s，略低于观测值17 km/s，表明系统稍冷。
• 模型产生双峰金属度分布，主峰位于 [Fe/H] ≈ -1.75，次峰位于 [Fe/H] ≈ -1.2，强度为前者的四分之一，与观测一致。
• 大量 [Fe/H] ≈ -0.5 的恒星被形成，表明存在晚期、高金属度的恒星形成。
• 模型中潮汐半径为65角分，显著大于观测值，可能由于银河系吸积过程中缺失潮汐剥离。
• 预测存在一个延伸的暗物质晕，暗物质在20角分以外占主导（过渡半径），可能影响外区恒星的运动学。