Abstract

By performing 3D radiation hydrodynamics simulations, we study the formation of young massive star clusters (YMCs; M* > 104 M⊙) in clouds with the surface density ranging from Σcl = 80 to 3200 M⊙ pc−2. We find that photoionization feedback suppresses star formation significantly in clouds with low-surface density. Once the initial surface density exceeds ∼100 M⊙ pc−2 for clouds with Mcl = 106 M⊙ and Z = Z⊙, most of the gas is converted into stars because the photoionization feedback is inefficient in deep gravitational potential. In this case, the star clusters are massive and gravitationally bounded as YMCs. The transition surface density increases as metallicity decreases, and it is ∼350 M⊙ pc−2 for Z = 10−2 Z⊙. We show that more than 10 per cent of star formation efficiency (SFE) is needed to keep a star cluster gravitationally bounded even after the disruption of a cloud. Also, we develop a semi-analytical model reproducing the SFEs obtained in our simulations. We find that the SFEs are fit with a power-law function with the dependence Σcl1/2{\propto}\Sigma _{\rm cl}^{1/2} for low-surface density and rapidly increases at the transition surface densities. The conditions of the surface density and the metallicity match recent observations of giant molecular clouds forming YMCs in nearby galaxies.

Memo

  • 星団が重力的にバウンスするには、SFEは15-30%以上を保たなければならないが、銀河系におけるSFEは典型的に10%以下である
  • 銀河系ではほとんどの星が最初は星団に属し、ガス雲の崩壊後に徐々に分散していくため、YMCの形成には特別な条件が必要であると考えられる
  • 金属量が約0.1 Zoより小さい場合は、フィードバックによってフィラメントが乱れやすくなり、星形成が急速に抑制される
  • 光子電離フィードバックは特に低密度領域で強く働くが、フィラメントなどの高密度領域ではダストの存在によりフィードバックに対して強く構造を保つ
  • クラスター周囲のガスは強い重力によってフィードバックの影響を受けずにその場に残りやすく、星形成が持続する
  • 雲が拡散している(初期半径が大きい)ケースではフィラメントのダスト柱密度が十分でなく、星形成が抑制されやすい
  • 雲の面密度が大きいほどSFEが大きくなり、同面密度では質量が大きいほどSFEは大きくなる
  • コンパクトな雲では輻射圧が主要なフィードバックであり、高密度領域は輻射圧に対して光学的に厚いため星形成が抑圧されやすい
  • 雲の面密度や金属量が高いほど雲の寿命は長くなる
  • 恒星がコアを形成すると星形成ははるかに長く継続する
  • 初期のビリアルパラメータが大きいほどその後のSFRやSFEは低くなる
  • 乱流はフィードバックからガスを守るため、面密度とビリアルパラメータが高い雲では星形成が長続きする
  • 雲質量や面密度が高くても、低金属量の場合は星団が形成されない可能性が高い
  • GMCが星団を形成するには、高面密度と高金属量が必要である
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