On The Run: How Fast Runaway Stars Can Escape From Their Home Cluster?

Abstract

Galaxies contain a wide variety of star clusters with different properties. Each cluster is a possible source of runaway stars, which can be progenitors of supernovae in other parts of the galaxy than their home cluster. Considering runaway stars in galaxy simulations has shown to increase the galactic feedback. This project investigates how the initial condition of a star cluster affects the velocity distribution of runaway stars. To do this, I performed simulations of star clusters solving the N-body problem with the NBODY6tt code. First, different initial conditions for each cluster are simulated, with varying half mass radius and primordial binary fraction. This is followed by an analysis of the velocity distribution for each simulated cluster after 40 Myr.

Dark matter is not taken into consideration in these simulation. Including dark matter components would imply an added gravitational force acting on each star in the cluster, and thus a higher escape velocity needed to be ejected. Thus, one can argue that including dark matter would result in less runaway stars being produced by the cluster, but should however be investigated further.

With initial radii of 1 and 10 pc, the bigger clusters produce fewer runaway stars after 40 Myr compared to the cluster with a radius of 0.1 pc. This result is because the interaction rate between stars is longer for clusters with greater radii.

The number of ejected stars from a system increases when primordial binaries are introduced. However, the velocity distribution of a bigger cluster does not change when increasing the binary fraction with a factor of 2. The results imply that initial conditions of the star cluster affect the velocities of runaway stars. Consequently, it means that if runaway stars are included in galaxy simulations, the variations of initial conditions in star clusters should be considered. Instead of generalising the velocity distribution of runaway stars, the differences shown in this project should be taken into account. It can change how far runaway stars travel away from their home cluster, but also how many of these stars end up in a new environment, far from their home cluster.

Further investigation on which initial conditions affect the velocity distribution of runaway stars is needed. Especially a deeper understanding of how primordial binaries can be implemented in N-body simulations is of high interest. However, I leave it to future projects to continue an exploration of this parameter space in detail.

Popular Abstract (Swedish)

Metoderna för att testa olika hypoteser har genom åren utvecklats drastiskt. Fortfarande finns många experiment som utförs på det klassiska viset i en laborationssal, med fysiska hjälpmedel och mätverktyg för att få fram en slutsats. Dock har den omfattande tekniska utvecklingar breddat möjligheten för vilka hypoteser som är testbara. Genom simuleringar kan tidigare omöjliga teser kontrolleras och mängder av olika scenarion kan undersökas, med endast några få justeringar i parametrar.

Men även i denna teknik-dominerade värld stöter forskare på problem med att skapa realistiska simuleringar med hög noggrannhet. Detta gäller även för astrofysiker när de i sitt arbete strävar efter högupplösta och fysiskt korrekta resultat. I simuleringar av galaxer har det fram tills nyligen varit vanligt att bortse från de stjärnor som på engelska kallas runaway stars. Dessa flyende skenande stjärnor har genom interaktioner med andra stjärnor flytt sitt hem-kluster.

Tidigare argument för att ignorera dessa flyende stjärnor har dels varit för den låga optiska upplösningen. Dels har uppfattningen att individuella stjärnor inte skulle påverka den stora strukturen som en galax utgör. Detta tillsammans med det svåra beräkningsarbete som skulle krävas, har gjort att astrofysiker inte brytt sig om inkludera dessa stjärnor i sina galax simuleringar.

Nyligen publicerat arbete från Institutionen för astronomi och teoretisk fysik vid Lunds Universitet visar dock hur inräkningen av runaway stars har en tydlig effekt på galaxens energi och evolution. Men det finns fortfarande oklarheter i vilka parametrar och förutsättningar som påverkar dessa stjärnors hastigheter.

Föreställ dig att du är en massiv stjärna liggandes på din dödsbädd, vilken sekund som helst redo att explodera som en supernova. Detta kommer du symbolisera genom att trycka ut dina armar från din kropp, i ett försök att pressa ifrån dig så mycket gas som möjligt i din omgivning. Om du är omgiven av flera människor som står nära dig fysiskt, kommer det vara svårare för dig att ta ut dina armar. I motsats kommer det vara väldigt lätt för dig om du gör denna manöver i ett rum där du är ensam. Samma analogi kan göras med dessa runaway stars. När de dör och exploderar långt utanför sitt hem-kluster, kan detta ske i en region av galaxen som har lägre densitet. När denna typ av explosion sker i en lägre densitet, kommer energin att fördelas i galaxen på ett annorlunda sätt, än om den flyende stjärnor dog i sitt hem-kluster.

Vad som avgör hur långt en runaway star kan färdas beror på dess hastighet. Eftersom den nya positionen hos kommande supernovor är viktig för galaxens utveckling, är det av största vikt att förstå hastighetsfördelning på de rymmande stjärnorna. Målet med detta projekt är att undersöka vilka olika initiala parametrar hos stjärnkluster det är som påverkar hastighetsfördelningen. En större förståelse för detta kommer leda till en ökad kunskap gällande den roll som runaway stars spelar i galax-simuleringar. Detta i sin tur kommer att öka skapandet av mer realistiska simuleringar och därmed även förståelsen för alla de galaxer Universum innehåller.

• author: Söderman, Anna-Maria
• supervisor: Florent Renaud
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTK02 20221
• year: 2022
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: star cluster, runaway stars, velocity distribution
• report number: 2022-EXA191
• language: English
• id: 9090351
• date added to LUP: 2022-06-23 10:50:31
• date last changed: 2022-06-23 10:50:31