[论文解读] Primordial Mass Segregation in Starburst Stellar Clusters

Sami Dib, Mohsen Shadmehri+3 more|ArXiv.org|Oct 22, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本文提出，星暴星团（如Arches星团）中的原初质量分馏源于前恒星核在坍缩前因湍流原星团云中的引力相互作用而快速合并。该模型成功再现了观测到的浅质量函数（中等质量区斜率≈2，高质区斜率≈1.7）以及独特的6 M⊙峰，总星团质量估计为1.45×10⁵ M⊙，恒星形成效率约为30%，表明星团具有引力束缚性。

ABSTRACT

We present a model to explain the mass segregation and shallow mass functions observed in the central parts of dense and young starburst stellar clusters. The model assumes that the initial pre-stellar cores mass function resulting from the turbulent fragmentation of the proto-cluster cloud is significantly altered by the cores coalescence before they collapse to form stars. With appropriate, yet realistic parameters, this model based on the competition between cores coalescence and collapse reproduces the mass spectra of the well studied Arches cluster. Namely, the slopes at the intermediate and high mass ends are reproduced, as well as the peculiar bump observed at 6 M_sol. This coalescence-collapse process occurs on short timescale of the order of one fourth the free fall time of the proto-cluster cloud (i.e., a few 10^{4} years), suggesting that mass segregation in Arches and similar clusters is primordial. The best fitting model implies the total mass of the Arches cluster is 1.45 10^{5} M_sol, which is slightly higher than the often quoted, but completeness affected, observational value of a few 10^{4} M_sol. The derived star formation efficiency is ~30 percent which implies that the Arches cluster is likely to be gravitationally bound.

研究动机与目标

• 解释年轻致密星暴星团（如Arches星团）中浅质量函数与极端质量分馏的起源。
• 解决动力摩擦模型在解释观测质量函数（尤其是6 M⊙峰）方面的局限性。
• 探究此类星团中的质量分馏是否为原初过程，即在恒星完全坍缩前发生。
• 基于合并-坍缩模型，确定Arches星团的总质量与恒星形成效率。

提出的方法

• 将原星团云建模为具有轴对称密度分布的等温湍流分子云，并嵌入前恒星核（PSCs）。
• 利用时间依赖的合并与收缩 timescale 方程，模拟PSC合并与自由下落坍缩之间的竞争。
• 采用湍流速度功率谱（β = 1.8），并基于湍流破碎生成初始核质量函数。
• 计算径向壳层中PSC质量谱的演化，特别关注对应于Arches星团第二环状区域（0.2–0.4 pc）的区域。
• 在坍缩过程中引入质量损失，以调整最终的恒星初始质量函数，从而解释观测到的6 M⊙峰。
• 将模型拟合至Kim等（2006）的观测数据，以推导最优参数，包括总星团质量与恒星形成效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的Arches星团浅质量函数与质量分馏是否可由原初机制解释，而非形成后的动力学演化？
• RQ2 为何Arches星团的质量函数在~6 M⊙处表现出显著峰，而标准动力学模型无法再现此特征？
• RQ3 星暴星团中质量分馏的时间尺度是多少？是否短到可被视为原初过程？
• RQ4 基于合并驱动形成模型，Arches星团的总质量与恒星形成效率的推断值是多少？

主要发现

• 合并-坍缩模型成功再现了观测到的质量函数斜率：在1–3 M⊙范围内α ≈ 2.04，在≥15 M⊙范围内α ≈ 1.72，与观测结果高度一致。
• 该模型成功再现了Arches星团质量函数中独特的6 M⊙峰，而此特征无法由动力摩擦模型解释。
• Arches星团的总质量估计为1.45×10⁵ M⊙，高于通常引用的、受完整性影响的观测值（数×10⁴ M⊙）。
• 恒星形成效率计算约为30%，表明星团具有引力束缚性，与Geyer & Burkert（2001）的结论一致。
• 整个合并与坍缩过程仅耗时约0.25倍原星团云的自由下落时间（约3×10⁴年），证实了原初质量分馏的存在。
• 模型表明，大质量PSC因截面更大而快速合并，早期即使初始质量函数趋于平坦，随后在中等质量核耗尽后合并速率减缓。