구상성단이 내부 별들의 이체 상호작용(two-body interactions)에 의해 역학적인 진화를 겪는 동안, 구상성단의 중심부로 별이 밀집되는 중심부 밀집 (core collapse)이 일어난다. 이에 대한 관측적 증거로, 별의 표면밀도 분포 중심부가 뾰족한 모양을 갖는 collapsed-core clusters의 관측이 있다. 하지만 기존의 측광학적 방법으로는 중심부 밀집이 일어난 구상성단들을 중심부 밀집이 일어나지 않은 다른 구상성단들과 구분 하기에 부족하다. 본 논문에서는 ...
구상성단이 내부 별들의 이체 상호작용(two-body interactions)에 의해 역학적인 진화를 겪는 동안, 구상성단의 중심부로 별이 밀집되는 중심부 밀집 (core collapse)이 일어난다. 이에 대한 관측적 증거로, 별의 표면밀도 분포 중심부가 뾰족한 모양을 갖는 collapsed-core clusters의 관측이 있다. 하지만 기존의 측광학적 방법으로는 중심부 밀집이 일어난 구상성단들을 중심부 밀집이 일어나지 않은 다른 구상성단들과 구분 하기에 부족하다. 본 논문에서는 멱함수(power-law) 형태의 초기질량함수를 따르며 초기 쌍성과 항성진화는 포함하지 않은 구상성단의 다체 시뮬레이션을 이용하여 구상성단의 중심부 밀집이 일어남을 관찰했다. 그리고 이를 표면밀도 분포가 아니라 에너지 등분배(energy equipartition)와 별들의 질량에 따른 속도분산 관계를 이용하여 해석했다. 초기질량함수의 지수를 변화시키며 시뮬레이션을 수행한 결과, 상당수의 시뮬레이션에서 중심부 밀집이 일어날 때 질량이 큰 별일수록 속도분산이 더 커지는 현상이 나타났다. 이는 에너지 등분배가 구상성단의 전역에 걸쳐 일어난다고 가정했을 때 예측되는 속도분산과 질량과의 관계에서 벗어나는 결과이다. 본 연구에서는 구상성단 내 별들의 속도분산과 질량의 관계에서 나타나는 이 현상을 ``global energy divergence"라고 정의하고, 이를 우리 은하 내의 구상성단에서 중심부 밀집을 정의하는 새로운 도구로 사용할 수 있음을 제안하였다. 이 방법은 구상성단의 좁은 중심부를 측광하는 기존의 방법과는 다르게 구상성단 전역 모든 별들의 운동을 관측하기 때문에, 중심부에 위치한 소수의 밝은 별들에 의한 통계적 잡음에서 좀 더 자유롭다. 또 허블 우주 망원경이나 Gaia 위성의 고유 운동 관측으로 이 방법의 연구가 가능해지고 있다는 점에서 앞으로 유망한 분석 도구이다. 이 연구를 통해 앞으로 기대할 수 있는 것으로는 중심부 밀집의 역학적 메커니즘의 이해, 속도분산과 질량의 관계를 이용해 구상성단 중심에 분포하고 있을 것으로 의심되는 중간 질량 블랙홀의 존재 등을 밝히는 것 등이 있다.
구상성단이 내부 별들의 이체 상호작용(two-body interactions)에 의해 역학적인 진화를 겪는 동안, 구상성단의 중심부로 별이 밀집되는 중심부 밀집 (core collapse)이 일어난다. 이에 대한 관측적 증거로, 별의 표면밀도 분포 중심부가 뾰족한 모양을 갖는 collapsed-core clusters의 관측이 있다. 하지만 기존의 측광학적 방법으로는 중심부 밀집이 일어난 구상성단들을 중심부 밀집이 일어나지 않은 다른 구상성단들과 구분 하기에 부족하다. 본 논문에서는 멱함수(power-law) 형태의 초기질량함수를 따르며 초기 쌍성과 항성진화는 포함하지 않은 구상성단의 다체 시뮬레이션을 이용하여 구상성단의 중심부 밀집이 일어남을 관찰했다. 그리고 이를 표면밀도 분포가 아니라 에너지 등분배(energy equipartition)와 별들의 질량에 따른 속도분산 관계를 이용하여 해석했다. 초기질량함수의 지수를 변화시키며 시뮬레이션을 수행한 결과, 상당수의 시뮬레이션에서 중심부 밀집이 일어날 때 질량이 큰 별일수록 속도분산이 더 커지는 현상이 나타났다. 이는 에너지 등분배가 구상성단의 전역에 걸쳐 일어난다고 가정했을 때 예측되는 속도분산과 질량과의 관계에서 벗어나는 결과이다. 본 연구에서는 구상성단 내 별들의 속도분산과 질량의 관계에서 나타나는 이 현상을 ``global energy divergence"라고 정의하고, 이를 우리 은하 내의 구상성단에서 중심부 밀집을 정의하는 새로운 도구로 사용할 수 있음을 제안하였다. 이 방법은 구상성단의 좁은 중심부를 측광하는 기존의 방법과는 다르게 구상성단 전역 모든 별들의 운동을 관측하기 때문에, 중심부에 위치한 소수의 밝은 별들에 의한 통계적 잡음에서 좀 더 자유롭다. 또 허블 우주 망원경이나 Gaia 위성의 고유 운동 관측으로 이 방법의 연구가 가능해지고 있다는 점에서 앞으로 유망한 분석 도구이다. 이 연구를 통해 앞으로 기대할 수 있는 것으로는 중심부 밀집의 역학적 메커니즘의 이해, 속도분산과 질량의 관계를 이용해 구상성단 중심에 분포하고 있을 것으로 의심되는 중간 질량 블랙홀의 존재 등을 밝히는 것 등이 있다.
When a globular cluster (GC) undergoes dynamical evolution through two-body interactions, its central region shrinks and increases in density, which is called core collapse. This phenomenon can explain the observation of so-called “collapsed-core clusters”, GCs whose surface density profile has a ce...
When a globular cluster (GC) undergoes dynamical evolution through two-body interactions, its central region shrinks and increases in density, which is called core collapse. This phenomenon can explain the observation of so-called “collapsed-core clusters”, GCs whose surface density profile has a central sharp peak, unlike King model-like GCs. But, central peaks in surface brightness are not sufficient to distinguish collapsed-core clusters from other GCs. In this paper, the core collapse of a GC is observed in direct N-body simulations. We run a set of 32000-particle simulations with NBODY6, a state-of-the-art direct summation code. Every simulation follows power-law initial mass function, and primordial binaries and stellar evolution are not included. Velocity dispersion of stars as a function of stellar mass, σ(m) is investigated over time in a wide range of power-law indices of IMF. Full energy equipartition is never achieved in any case. Furthermore, contrary to the expectations of equipartition, the most massive stars have the larger stellar velocity dispersion. We choose to call this phenomenon “global energy divergence”, which we propose as an indicator of core collapse. This indicator is independent of surface brightness arguments. Thanks to Hubble Space Telescope (HST) data and the recent GAIA data release, opportunities for using such indicator in actual observations are plentiful. This approach would shed light on the dynamical mechanism of core collapse by identifying collapsed-core clusters more reliably, and may help reveal physical properties of GC unclear so far, such as central intermediate-mass black hole (IMBH).
When a globular cluster (GC) undergoes dynamical evolution through two-body interactions, its central region shrinks and increases in density, which is called core collapse. This phenomenon can explain the observation of so-called “collapsed-core clusters”, GCs whose surface density profile has a central sharp peak, unlike King model-like GCs. But, central peaks in surface brightness are not sufficient to distinguish collapsed-core clusters from other GCs. In this paper, the core collapse of a GC is observed in direct N-body simulations. We run a set of 32000-particle simulations with NBODY6, a state-of-the-art direct summation code. Every simulation follows power-law initial mass function, and primordial binaries and stellar evolution are not included. Velocity dispersion of stars as a function of stellar mass, σ(m) is investigated over time in a wide range of power-law indices of IMF. Full energy equipartition is never achieved in any case. Furthermore, contrary to the expectations of equipartition, the most massive stars have the larger stellar velocity dispersion. We choose to call this phenomenon “global energy divergence”, which we propose as an indicator of core collapse. This indicator is independent of surface brightness arguments. Thanks to Hubble Space Telescope (HST) data and the recent GAIA data release, opportunities for using such indicator in actual observations are plentiful. This approach would shed light on the dynamical mechanism of core collapse by identifying collapsed-core clusters more reliably, and may help reveal physical properties of GC unclear so far, such as central intermediate-mass black hole (IMBH).
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