用太阳临近星团限制恒星形成率

题目:Constraining the star formation rate in the Solar neighborhood with star cluster
作者:C. Bonatto &  E. Bica
链接:arXiv:1104.2182v1 (文章中涉及到星团和质量流失的描述很简单,本人通过文献补充了一些基本背景。)
编辑供稿:高爽(University of Heidelberg, Germany)

下载ppt (pdf文件,其实不能叫ppt)

背景介绍

恒星星团是星系中靠引力束缚着的恒星集团,依据目前的观测,可以分为以下几类:球状星团GC,疏散星团OC,年轻大质量星团YMC,嵌埋星团(embedded cluster EC)。

  • GC包含百万量级的低质量老年恒星,存在于晕中,自引力强,呈球状;
  • OC包含几百到几万量级的不同类型恒星,存在于盘中,形状不规则,自引力弱;
  • YMC包含几百到几万量级的年轻大质量恒星,存在于盘中,恒星平均质量>5 太阳质量;
  • EC是OC的早期阶段,诞生于巨分子云(GMC)中,光学难以探测。

恒星形成的历史,用单位时间形成的恒星质量来描述,它是时间的函数SFR(t)。太阳临近空间的本地SFR对于构建银河系模型、星族研究、了解银河系的历史等都非常有用处。本文是用星团的年龄分布限制SFR。

星团诞生后,会经过三个演化阶段:嵌埋阶段、恒星演化阶段、动力学演化阶段。Lada & Lada (2003)提出所有的星团都产生于GMC,也就是说星团诞生时都是嵌埋星团,但大部分(90%以上)在这个阶段就死亡了。第二个阶段是星团中的成员星独自演化的阶段,演化过程中星风带走质量,演化结果是白矮星、中子星或黑洞。第三个阶段和第二阶段并没有明确界限,星团受到几种动力学干扰也会走向死亡。

造成星团死亡(解散 dissolution)的原因就是质量丢失,质量丢失一共有6种机制:

  • 恒星演化:通过星风带走质量,白矮星、中子星、黑洞部分被踢出;
  • 银河系的潮汐力瓦解:变星,拉扯出部分恒星(形成星流);
  • 旋臂产生的激波(shocks):激波作用时间越长效果越严重;
  • 遭遇巨分子云(GMC):包括嵌埋星团等;
  • 抛射(ejection):单个恒星近距离交互时的N body作用获得的额外速度大于逃逸速度后逃出;
  • 蒸发(evaporation):大量恒星充分交互后发生质量分层(mass segmetation),恒星获得相近的速度,大质量星速度弥散小,小质量星速度弥散大向外层迁移最终逃出。

针对这6种质量丢失的机制,有大量文献给出了观测的和N体数值模拟的估计,它们各自有不同的质量丢失率dM/dt。总的星团质量丢失率是这6种质量丢失率简单相加。如果我们把条件限定在太阳附近,就可以给出完整的6种质量丢失率的表达式对时间的函数。用一个Runge-Kutta方法解方程就可以得到M随着t的变化M(t)。

观测与模拟ADF

在距离太阳1kpc的范围内共计442个星团,它们的年龄分布可以完整地得到。这是观测ADF。与之对比的是一个模拟的ADF。模拟方法如下:

  1. 按照某个给定的初始质量函数随机分配质量,随机分配年龄ta;
  2. 根据上面计算的M(t)计算每个星团演化到自己年龄ta时的值M(ta);
  3. 重复这样的步骤直到总质量满足预设的一个SFR对时间的积分;
  4. 演化后的M(ta)小于100太阳质量的忽略不计,对大于100太阳质量的星团计数,得到模拟ADF。
  5. 上面的步骤重复100次平均用以降低随机误差。

如上图,横轴是百万年的年龄的对数尺度,数轴是单位时间间隔的星团数。带误差棒的原点是观测ADF,其他线都是模拟ADF。其中

  • 最粗的点划线是假设了常数的SFR,在两个时间范围内与观测偏差很大,一个是200到600万年,另一个是最近;
  • 实线是符合最好的SFR,在这两个时间范围内调高了SFR的值,具体数值对应在图下面的子图中;
  • 两外两条线是这个SFR上下20%偏差的位置;阴影是模拟100次的结果的偏差范围。

结论与讨论

这个最好的SFR的结果告诉了我们以下几件事

  • 在最近(9百万年之内)和200到600万年之前,本地恒星形成有较高的速率;
  • 平均SFR是2500太阳质量每百万年;
  • 常数的SFR不能解释本地星团。

在模拟中发现,共用了330000个本地星团,但是

  • 91.2%都在最初10Myr就毁灭了;
  • 这个数字与Lada等人2006年用嵌埋星团计算的结果一致;
  • 这个结论暗示了,最初10Myr内毁灭的全部是嵌埋星团。

延伸阅读

星团 http://en.wikipedia.org/wiki/Star_cluster

疏散星团 http://en.wikipedia.org/wiki/Open_cluster

嵌埋星团的综述 Embedded Cluster review

大质量年轻星团的综述 Young massive cluster review

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10 Replies to “用太阳临近星团限制恒星形成率”

  1. songquan

    MSIE 9.0 Windows 7

    白矮星、中子星、黑洞部分被踢出..这是为什么,是偶然的么?什么原因?按照质量分层效应大质量恒星是在内层的

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