[论文解读] Runaway Collisions in Star Clusters

Simon Portegies Zwart, Junichiro Makino+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 3

一句话总结

本研究利用包含恒星与双星演化的高精度N体模拟，证明在R136、银河系弓形星团（Arches）和五重星团（Quintuplet）等致密年轻星团中，恒星的 runaway 碰撞极为普遍。碰撞率与初始弛豫时间成反比，线性变化，在弛豫时间为1 Myr的星团中，每颗恒星每百万年发生约2.2×10⁻⁴次碰撞，表明即使在中等规模系统中，此类碰撞也会显著影响星团演化。

ABSTRACT

We study the occurrence of physical collisions between stars in young and compact star cluster. The calculations are performed on the GRAPE-4 with the starlab software environment which include the dynamical evolution and the nuclear evolution of all stars and binaries. The selection of the initial conditions is based on existing and well observed star clusters, such as R136 in the 30 Doradus region in the Large Magellanic Cloud and the Arches and Quintuplet star clusters in the vicinity of the Galactic center. Collisions between stars occurred rather frequently in our models. At any time a single star dominates the collision history of the system. The collision rate of this runaway merger scales with the initial relaxation time of the cluster and is independent on other cluster parameters, such as the initial mass function or the initial density profile of the cluster. Subsequent encounters result in a steady grow in mass of the coagulating star, until it escapes or explodes in a supernova. The collision rate in these models is about 0.00022 collisions per star per Myr for a cluster with an initial relaxation time of 1 Myr.

研究动机与目标

• 研究在R136、银河系弓形星团（Arches）和五重星团（Quintuplet）等致密年轻星团中，物理恒星碰撞是否频繁发生。
• 确定即使在初始弛豫时间相对较低的系统中，runaway 碰撞过程是否也能主导星团演化。
• 评估恒星碰撞对星团动力学与演化演化的影响，包括大质量恒星与黑洞的形成。
• 通过使用包含完整恒星与双星演化的直接N体模拟，挑战以往认为碰撞稀少且可忽略的假设。
• 量化碰撞率及其与星团参数（如弛豫时间、初始质量函数和密度分布）的依赖关系。

提出的方法

• 使用Starlab软件环境结合GRAPE-4专用计算机进行高速N体积分。
• 整合自洽的恒星与双星演化（通过SeBa实现），并考虑恒星演化与星团动力学之间的动态反馈。
• 初始条件基于实际观测的星团：R136、Arches与Quintuplet，包含不同恒星数量（1k至32k）、弛豫时间及初始质量函数。
• 以弛豫时间为碰撞率的主要缩放参数，模型在不同初始密度分布（Heggie-Ramamani模型，W₀ = 1至7）下运行。
• 包含银河系潮汐场，并对超新星爆发采用可变质量损失模型，以评估恒星逃逸与黑洞形成。
• 分析碰撞历史、中心天体的质量增长，以及因超新星质量损失导致的星团膨胀。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有真实初始条件的致密年轻星团中，物理恒星碰撞的实际速率是多少？
• RQ2 单颗恒星是否会发生 runaway 碰撞？若会，其碰撞速率由什么因素决定？
• RQ3 碰撞率如何依赖于星团参数，如弛豫时间、初始质量函数和密度分布？
• RQ4 恒星碰撞在多大程度上改变了星团的动力学演化，包括核心膨胀与最终解体？
• RQ5 碰撞形成的恒星残骸（特别是可能持续通过进一步碰撞继续增长的黑洞）会发生什么？

主要发现

• 每颗恒星每百万年发生的碰撞率满足公式 $ \mathcal{R}_{\rm coll} = 2.2 \times 10^{-4} \, t_{\rm rlx}^{-1.0} \, [\text{Myr}^{-1}] $，其中 $ t_{\rm rlx} $ 单位为Myr，表明其与初始弛豫时间有强烈依赖关系。
• 在每个星团中，单颗恒星主导了碰撞历史，通过反复碰撞不断积累质量，直至最终以超新星爆发结束或被弹射出星团。
• 即使在恒星数少于 $ 10^7 $ 的星团中，runaway 碰撞依然会发生，这与早期认为此类系统需极大质量的假设相矛盾。
• 多次碰撞形成的巨大天体在质量上明显区别于其他恒星，因此可能作为极高质量恒星或黑洞被观测到。
• 若碰撞形成的恒星发生超新星爆发并损失大量质量，可能被弹出星团；但若质量损失极小，形成的黑洞可保留在核心，并通过进一步碰撞持续增长。
• 因超新星质量损失导致的核心膨胀最终会终止碰撞效率，使runaway碰撞阶段持续时间限制在数千万年以内。