Universität zu Köln

Kaczmarek, Thomas (2012). The Evolution of Binary Populations in Young Star Clusters: From the ONC to OB associations. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Observations of the binary populations in young, sparse clusters have shown, that almost all stars are part of a binary system at the end of the star formation process. By contrast, the binary frequency of field stars only ~50%. Most stars, and therefore most binaries, are formed in dense star clusters. This rises the question if the natal environments lead to the observed reduction of the binary frequency. In this thesis this question is addressed using numerical Nbody simulations of binary populations in different star cluster environments. First the evolution of binaries in ONC-like star clusters has been investigated. It was found that there the evolution of the normalised number of binaries is independent from the initial binary frequency. This allows to predict the evolution of binary populations in ONC-like clusters without the need of further numerical simulations. In addition it was found, that dynamical interactions preferentially destroy low-mass binaries resulting in a higher binary frequency for high-mass stars in the simulated clusters, in accordance with observation in the ONC. The combination of dynamical evolution with gas-induced orbital decay of embedded binaries is capable to reshape a log-uniform period distribution, as observed in young star clusters, to a log-normal period distribution as observed in the field today. The modelling has been generalised to clusters with arbitrary densities. Performing simulations for clusters with up to eight times higher densities than before with two different initial binary frequencies, it was shown that the evolution of the normalised number of binaries remains independent of the initial binary frequency. The higher the density in a cluster the more binaries are destroyed as to be expected. However, this effect levels out for clusters with central densities exceeding ~3 * 10^4 pc^{-3}. This means that there is a limit beyond which increasing the binary frequency in the clusters does not lead to significantly more binaries being destroyed. Finally it was investigated how the binary population evolves in star clusters that have undergone instantaneous gas expulsion with a resultant fast decrease in stellar density. It was found that the lower the star formation efficiency of a cluster and therefore the faster the decrease in stellar density, the less binaries are destroyed during the evolution while at the same time the more very wide binaries are formed. Comparison of the evolution of the simulated clusters and the observed leaky cluster sequence shows that clusters including a binary population and a SFE = 0.3 match the observations of leaky-star clusters remarkably well.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Beobachtungen der Doppelsternpopulationen in jungen Sternhaufen zeigen, dass kurz nach dem Ende des Sternentstehungsprozesses ein Großteil der Sterne Teil eines Doppelsternsystems sind. Im Gegensatz dazu beträgt die Doppelsternrate im Feld nur ~50%. Die meisten Sterne und damit auch die meisten Doppelsterne, entstehen in dichten Sternhaufen, was zu der Frage führt, ob die Geburtsstätten der Doppelsterne für die Abnahme der Doppelsternrate verantwortlich sind. In dieser Arbeit wird eine Antwort auf diese Frage gesucht. Zu diesem Zwecke wurden numerische N-Teilchen Simulationen von Doppelsternpopulationen in Sternhaufen mit unterschiedlichen Dichten durchgeführt. Zunächst wurde die Entwicklung von Doppelsternen in ``Orion Nebula Cluster''-artigen (ONC-artigen) Sternhaufen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Entwicklung der normalisierten Anzahl an Doppelsternen unabhängig von der initialen Doppelsternrate ist. Dies ermöglicht es, die Entwicklung der Doppelsternpopulationen in ONC-artigen Haufen vorherzusagen, ohne das weitere numerische Rechnungen erforderlich sind. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die dynamischen Interaktionen vorrangig Doppelsternsysteme massearmer Sterne zerstören, was in Übereinstimmung mit Beobachtungen im ONC zu einer erhöhten Doppelsternrate für massive Sterne führt. Eine Kombination der dynamischen Entwicklung mit dem gas-induzierten Schrumpfen der Orbits von in Gas eingebetteten Doppelsternen wandelt eine logarithmisch gleichverteilte Verteilung der Umlaufzeiten, wie sie in jungen Sternhaufen beobachtet wird, zu einer logarithmisch normalen Umlaufzeitenverteilung um, wie sie in der Feld Population beobachtet wird. Anschließend wurden die Rechnungen für Sternhaufen mit beliebigen Dichten verallgemeinert, indem Simulationen von Sternhaufen mit bis zu achtfach höheren Dichten als im ONC durchgeführt wurden. Es konnte nachgewiesen werden, dass auch in diesen Sternhaufen die Entwicklung der normalisierten Anzahl an Doppelsternen unabhängig von der initialen Doppelsternrate ist und das, wie zu erwarten, in Sternhaufen mit höherer Dichte mehr Doppelsterne zerstört werden. Dieser Effekt nimmt jedoch für Sternhaufen mit Dichten von mehr als ~3 * 10^4 pc^{-3} ab. Dies bedeutet, dass es eine Grenze gibt, ab der das Erhöhen der Dichte in den Sternhaufen zu keiner signifikanten Zunahme der Anzahl an zerstörten Doppelsternen führt. Schließlich wurde untersucht, wie sich Doppelsternpopulationen in Sternhaufen entwickeln, die ihr überschüssiges Gas ausgeworfen haben und in Folge dessen schnell an stellarer Dichte einbüßen. Es wurde gezeigt, dass mit abnehmender Sternentstehungsrate eines Sternhaufens weniger weite Doppelsterne zerstört und mehr sehr weite gebildet werden. Der Vergleich der Entwicklung der simulierten Sternhaufen und der beobachteten ``leacky cluster sequence'' legt nahe, dass Sternhaufen mit einer Doppelsternpopulation und einer Sternentstehungsrate von 30% den beobachteten ``leaky clusters'' sehr gut entsprechen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kaczmarek, Thomas thomas@kaczmarek24.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-51027
Date:	22 August 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Astrophysics star-formation binaries three-body interactions N-body simulations English Astrophysik Sternentstehung Doppelsterne Drei-Körper Interaktionenen Vielteilchensimulationen German
Date of oral exam:	19 October 2012
Referee:	Name Academic Title Pfalzner, Susanne Prof. Dr. Krug, Joachim Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5102