[论文解读] The evolution of two stellar populations in globular clusters I. The dynamical mixing timescale

T. Decressin, Holger Baumgardt+1 more|ArXiv.org|Oct 29, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 59被引用 46

一句话总结

本研究利用N体模拟探究了通过双体弛豫实现的动力学混合是否能解释球状星团中观测到的高比例化学异常恒星。结果表明，即使第二代恒星初始时集中在中心区域，经过约2倍弛豫时间（数十亿年）后，径向均质化才得以实现，第二代恒星比例仅增加2.5倍，这一增幅不足以解释观测结果，除非引入更高效的质量损失机制，如原初气体抛射。

ABSTRACT

We investigate the long-term dynamical evolution of two distinct stellar populations of low-mass stars in globular clusters in order to study whether the energy equipartition process can explain the high number of stars harbouring abundance anomalies seen in globular clusters. We analyse N-body models by artificially dividing the low-mass stars (m<0.9 Msun) into two populations: a small number of stars (second generation) consistent with an invariant IMF and with low specific energies initially concentrated towards the cluster-centre mimic stars with abundance anomalies. These stars form from the slow winds of fast-rotating massive stars. The main part of low-mass (first generation) stars has the pristine composition of the cluster. We study in detail how the two populations evolve under the influence of two-body elaxation and the tidal forces due to the host galaxy.Stars with low specific energy initially concentrated toward the cluster centre need about two relaxation times to achieve a complete homogenisation throughout the cluster. For realistic globular clusters, the number ratio between the two populations increases only by a factor 2.5 due to the preferential evaporation of the population of outlying first generation stars. We also find that the loss of information on the stellar orbital angular momentum occurs on the same timescale as spatial homogenisation.

研究动机与目标

• 确定诸如双体弛豫等动力学过程是否能自然解释球状星团中观测到的大量化学异常恒星。
• 评估初始集中在中心的第二代恒星是否随时间因能量分配均等化和潮汐力作用而被抹除空间分离特征。
• 在第一代恒星初始质量函数（IMF）保持不变的假设下，评估是否能重现球状星团中观测到的丰度异常比例。
• 研究原初气体抛射在形成足够数量第二代恒星以匹配观测结果中的作用。
• 明确古老球状星团中初始动力学信息（如角动量和径向分布）的丧失时间尺度。

提出的方法

• 采用球状星团的N体模拟，将低质量恒星（m ≤ 0.9 M☉）人为划分为两代：第一代（原始成分）和第二代（由快速旋转大质量恒星的慢速星风导致的丰度异常）。
• 第二代恒星初始被赋予较低的比能量，并集中于星团中心，以模拟大质量恒星赤道喷流的形成过程。
• 模拟长期动力学演化过程，包括双体弛豫和宿主星系的潮汐力作用，时间跨度达数十亿年。
• 追踪径向分布、能量分配均等化以及种群比例的变化，以评估均质化程度和选择性蒸发效应。
• 量化初始角动量和径向结构丧失的时间尺度，并与径向混合的时间尺度进行比较。
• 模拟假设第一代恒星采用标准Salpeter初始质量函数（IMF），并评估由此产生的第二代恒星比例与观测值的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠双体弛豫的动力学混合是否足以解释球状星团中观测到的高比例化学异常恒星？
• RQ2 初始集中在星团中心的第二代恒星需要多长时间才能与第一代恒星实现空间均质化？
• RQ3 潮汐力对高比能量第一代恒星的选择性损失有何影响？这种损失如何改变最终的种群比例？
• RQ4 初始动力学信息（如角动量）的丧失是否与径向均质化发生在同一时间尺度？
• RQ5 观测到的异常恒星与正常恒星的比例是否与恒定初始质量函数一致？若不一致，是否需要更高效的质量损失机制？

主要发现

• 初始比能量较低并集中在星团中心的恒星，需约两个弛豫时间（数十亿年）才能实现与第一代恒星的完全径向均质化。
• 由于外区第一代恒星优先蒸发，整个星团寿命内第二代与第一代恒星的比例仅增加2.5倍。
• 初始动力学信息（如轨道角动量）的丧失时间尺度与径向均质化时间尺度相当，表明约两个弛豫时间后，所有初始的运动学和空间结构均被抹除。
• 在初始质量函数（IMF）保持不变的前提下，无法重现观测到的高比例化学异常恒星（例如NGC 6752中约85%），除非存在更高效的质量损失机制。
• 为使标准初始质量函数与观测结果一致，必须通过恒星反馈（如OB星）实现原初气体抛射，以在短时间内移除外区星团物质，从而支持足够数量的第二代恒星形成。
• 结果表明，原初气体抛射等机制对解释观测到的丰度异常比例是必要的，因为仅靠动力学过程本身不足以解释观测结果。