[论文解读] The Dragon-II simulations -- I. Evolution of single and binary compact objects in star clusters with up to 1 million stars

Manuel Arca Sedda, Albrecht Kamlah+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本研究展示了Dragon-II模拟，这是一套包含19个N体模拟的星团，星团中恒星数量高达100万颗，其中包含高达33%的双星系统，旨在研究致密天体（黑洞、中子星、白矮星）的动力学演化。关键发现是：黑洞在星团中心形成一个致密且长寿命的子系统，平均质量在10至30个弛豫时间（relaxation times）内因黑洞燃烧（BH burning）而下降至15 M⊙以下；而被抛射的双致密天体双星系统中，黑洞质量显著更重（10–100 M⊙），远高于仅含单个致密天体的双星系统（3–20 M⊙）。

ABSTRACT

We present the first results of the extsc{Dragon-II} simulations, a suite of 19 $N$-body simulations of star clusters with up to $10^6$ stars, with up to $33\%$ of them initially paired in binaries. In this work, we describe the main evolution of the clusters and their compact objects (COs). All extsc{Dragon-II} clusters form in their centre a black hole (BH) subsystem with a density $10-100$ times larger than the stellar density, with the cluster core containing $50-80\%$ of the whole BH population. In all models, the BH average mass steeply decreases as a consequence of BH burning, reaching values $\langle m_{ m BH} angle < 15$ M$_\odot$ within $10-30$ relaxation times. Generally, our clusters retain only BHs lighter than $30$ M$_\odot$ over $30$ relaxation times. Looser clusters retain a higher binary fraction, because in such environments binaries are less likely disrupted by dynamical encounters. We find that BH-main sequence star binaries have properties similar to recently observed systems. Double CO binaries (DCOBs) ejected from the cluster exhibit larger mass ratios and heavier primary masses than ejected binaries hosting a single CO (SCOBs). Ejected SCOBs have BH masses $m_{ m BH} = 3-20$ M$_\odot$, definitely lower than those in DCOBs ($m_{ m BH} = 10-100$ M$_\odot$).

研究动机与目标

• 模拟包含高达100万颗恒星的致密星团中单个和双致密天体的动力学演化。
• 研究初始星团属性（如双星分数和密度）如何影响黑洞的保留率及其质量演化。
• 在致密星场环境中，建模黑洞-主序星双星和双致密天体双星的形成、抛射及其特性。
• 量化质量分离和黑洞燃烧等动力学过程对最终黑洞质量函数和空间分布的影响。
• 将模拟的致密天体种群与观测到的系统进行比较，特别是像NGC3201这样的球状星团。

提出的方法

• 模拟采用Nbody6++GPU代码，对包含高达10^6颗恒星的星团进行建模，其中初始双星比例最高可达33%。
• 初始条件通过McLuster代码生成，整合了真实的恒星初始质量函数和双星参数。
• 恒星演化通过详细模型追踪，包括质量损失、对不稳定及脉动对不稳定超新星，以及带有质量间隙的黑洞形成。
• 动力学相互作用（如两体弛豫、三体相遇和双星硬化）在30个弛豫时间内自洽演化。
• 通过追踪质量、空间分布、轨道元素及从星团核心的抛射事件，分析致密天体种群。
• 模拟包含单个和双致密天体，特别关注黑洞-主序星（BH-MS）和双致密天体双星（DCOB）双星。

Figure 1: Initial density, calculated at the half-mass radius, as a function of number of stars for several grids of direct $N$ -body (blue points) and Monte Carlo (red boxes) simulations. The Dragon-II cluster database is represented by the green star.

实验结果

研究问题

• RQ1 在动力学时标下，黑洞在致密星团中的质量和空间分布如何演化？
• RQ2 如黑洞燃烧和质量分离等动力学过程在多大程度上改变了初始黑洞质量函数？
• RQ3 被抛射的黑洞双星具有何种特性？与NGC3201等观测系统相比如何？
• RQ4 初始双星分数如何影响星团中致密天体双星的保留与演化？
• RQ5 黑洞在星团核心的形成效率如何？其与星团质量及弛豫时间的关系如何？

主要发现

• 所有Dragon-II星团均在中心形成一个黑洞子系统，其密度比恒星密度高出10至100倍，核心半径内包含总黑洞种群的50%至80%。
• 由于黑洞燃烧，黑洞平均质量急剧下降，在10至30个弛豫时间内均降至15 M⊙以下，与初始星团属性无关。
• 30个弛豫时间后，星团仅保留质量低于30 M⊙的黑洞，表明存在强烈的质量分离和大质量残余物的蒸发。
• 较松散的星团保留了更高的双星分数，因为动力学相遇较难破坏双星系统，而致密星团中则更易破坏。
• 被抛射的BH-MS双星具有较低的黑洞质量（m_BH < 10 M⊙）、较短的轨道周期（<10天），且主要为原初形成，而非原位形成。
• 被抛射的双致密天体双星（DCOBs）的主星质量显著更高（10–100 M⊙），质量比也更大，而单致密天体双星（SCOBs）的黑洞质量为3–20 M⊙。

Figure 2: Time evolution of the mass (top panel) and half-mass radius (bottom) of Dragon-II clusters (black lines) compared to observed massive clusters in the Milky Way (MW, blue stars), the two Magellanic Clouds (green squares and red points), the Andromeda galaxy (M31, green squares), the Henize