[论文解读] The Structure and Evolution of Young Stellar Clusters

Shadab Alam, S. T. Megeath+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文利用斯皮策望远镜、2MASS及其他多波段巡天，分析了1 kpc以内年轻星团的结构与演化，揭示了从孤立星群到致密星团的星形成环境连续体。研究发现，成员数为3至1000的星团表面密度仅相差约5倍，形态特征如拉长和亚结构反映的是初始气体碎片化，而非动力学演化，且在大多数区域，恒星近距离遭遇或紫外辐射对盘面存活的影响甚微。

ABSTRACT

We examine the properties of embedded clusters within 1 kiloparsec using new data from the Spitzer Space Telescope, as well as recent results from 2MASS and other ground-based near-infrared surveys. We use surveys of entire molecular clouds to understand the range and distribution of cluster membership, size and surface density. The Spitzer data demonstrate clearly that there is a continuum of star- forming environments, from relative isolation to dense clusters. The number of members of a cluster is correlated with the cluster radius, such that the average surface density of clusters having a few to a thousand members varies by a factor of only a few. The spatial distributions of Spitzer-identified young stellar objects frequently show elongation, low density halos, and sub-clustering. The spatial distributions of protostars resemble the distribution of dense molecular gas, suggesting that their morphologies result directly from the fragmentation of the natal gas. We also examine the effects of the cluster environments on star and planet formation. Although Far-UV and Extreme-UV radiation from massive stars can truncate disks in a few million years, fewer than half of the young stars in our sample (embedded clusters within 1 kpc) are found in regions of strong FUV and EUV fields. Typical volume densities and lifetimes of the observed clusters suggest that dynamical interactions are not an important mechanism for truncating disks on solar system size scales.

研究动机与目标

• 利用多波段巡天，表征1 kpc内年轻嵌入星团的结构特性（大小、表面密度、形态）。
• 确定星团演化是由初始气体碎片化驱动，还是后续动力学过程主导。
• 评估星团环境对盘面存活的影响，特别是大质量恒星的紫外辐射与近距离恒星相遇的影响。
• 评估气体消散机制（光致蒸发、喷流）在塑造星团演化与存活中的作用。

提出的方法

• 利用斯皮策空间望远镜的斯皮策年轻星团巡天、猎户星云分子云巡天及核心到盘（c2d）遗产计划的数据，通过中红外颜色-颜色图识别并分类年轻恒星物体（YSOs）。
• 应用IRAC和MIPS测光区分I型（包覆原恒星）和II型（带有盘面的类太阳前主序星）源，利用24 µm数据解决消光引起的混淆。
• 结合钱德拉ANCHORS巡天的X射线数据，以提高星团成员身份和年龄估计的准确性。
• 绘制分子云中YSO和原恒星的空间分布，与毫米及亚毫米波段追踪的致密气体结构进行比较。
• 利用N体模拟建模动力学相互作用率，估算不同密度星团中近距离相遇的频率。
• 评估大质量恒星产生的FUV和EUV辐射导致的盘面截断 timescales，与观测到的盘面寿命及星团气体消散 timescales 进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 邻近年轻嵌入星团的星团属性（大小、表面密度、形态）的范围与分布如何？
• RQ2 观测到的星团形态在多大程度上反映初始气体碎片化，而非后期动力学演化？
• RQ3 大质量恒星产生的FUV和EUV辐射场如何影响星团环境中盘面的存活？
• RQ4 近距离恒星相遇在多大程度上导致太阳系尺度上原行星盘的截断？
• RQ5 嵌入星团中气体消散的速度如何？其消散由哪些过程驱动？

主要发现

• 成员数为3至1000的年轻星团平均表面密度仅相差约5倍，表明在广泛星团尺寸范围内，其密度范围较窄。
• 原恒星的空间分布与致密分子气体的形态高度吻合，表明星团的亚结构与拉长特征源于原初包覆云的碎片化，而非动力学演化。
• 样本中仅有不到50%的年轻恒星位于强FUV和EUV场区域，表明外部辐射并非大多数星团中盘面截断的主导机制。
• 足以在40 AU尺度上截断盘面的动力学相互作用极为罕见：典型星团在5 Myr内每颗恒星仅经历约1次近距离相遇（<1000 AU），且在100 AU内相遇次数少于1次。
• 气体消散时间尺度约为3 Myr——与星团穿越时间及恒星形成持续时间相当——表明星团在嵌入阶段并未达到动力学平衡。
• 气体消散后星团的存活主要取决于星团大小、恒星形成效率及消散速率，若满足这些条件，大多数星团能够存活。