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Equipartition and mass segregation : simulations of star clusters with two mass-components

Khalisi, Emil

German Title: Äquipartition und Massensegregation : Modellierung von Sternhaufen mit zwei Massenkomponenten

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Abstract

The dynamical evolution of an isolated self-gravitating system is studied under the aspects of mass segregation and equipartition processes. We analyse the idealized case of a cluster with two distinct mass components. The individual ratio of the heavy to light bodies, \mu = m_2/m_1, is varied from 1.25 to 50.0 and the fraction of the total heavy mass is altered from 5% to 40% of the whole cluster. We also examine the cluster properties like the core collapse, the evolution of the central potential, the radial stratification of masses as well as escapers. We present new, high-accuracy collisional N-body simulations, using the high-order integrator NBODY6++. We modelled up to N=20,000 particles on the parallel supercomputer CRAY T3E, and the statistical significancy of the lower-N simulations was improved by ensemble averages. Our objective is to check the various theories on early star formation and dynamical evolution. We find significant deviations of the evolutionary time scale in the regime \mu -> 1. Equipartition slows down the gravothermal contraction of the core slightly. Beyond a critical value of \mu ~ 2, no equipartition can be achieved between the different masses, a phenomenon known as the Spitzer equipartition instability; the heavy component decouples and collapses under the influence of the gravothermal instability of its own subsystem. For the first time the critical boundary between Spitzer-stable and -unstable systems is demonstrated in direct N-body models.

Translation of abstract (German)

Die dynamische Entwicklung von isolierten, selbstgravitierenden Systemen wird unter den Gesichtspunkten der Massensegregation und Äquipartition untersucht. Wir analysieren idealisierte Sternhaufen mit zwei unterschiedlichen Massenkomponenten, deren individuelles Massenverhältnis \mu=m_2/m_1 zwischen 1,25 und 50 variiert. Der Gesamtanteil der schweren Komponente beträgt zwischen 5% und 40% des Haufens. Wir untersuchen die Eigenschaften wie den Kernkollaps, die Entwicklung des Zentralpotentials, die radiale Massenschichtung ebenso wie entweichende Sterne. Wir stellen neue Präzisionsrechnungen, sogenannte N-body-Simulationen, vor, die mit dem Programm NBODY6++ gewonnen wurden. Wir modellierten bis zu 20.000 Teilchen auf dem Parallelrechner CRAY T3E, während die statistische Signifikanz der Simulationen mit niedrigeren Teilchenzahlen durch Mittelung mehrerer Rechnungen erhöht wurde. Unser Ziel ist es, die unterschiedlichen Theorien zur Sternentstehung und die dynamische Entwicklung zu untersuchen. Wir haben wesentliche Abweichungen der Entwicklungszeitskala im Bereich \mu -> 1 erkannt. Die Äquipartition bremst die gravothermische Kontraktion im Kern leicht ab. Jenseits eines kritischen Wertes von \mu ~ 2 kann sich keine Äquipartition unter den Masseteilchen einstellen, ein Phänomen, das als "Spitzersche Äquipartitionsinstabilität" bekannt ist; die schwere Komponente entkoppelt sich und kollabiert unter dem Einfluß der eigenen gravothermischen Instabilität. Die kritische Grenze zwischen den Spitzer-stabilen und -unstabilen Systemen wurde zum ersten Male in direkten N-body-Modellen aufgezeigt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spurzem, Rainer PD
Date of thesis defense: 6. November 2002
Date Deposited: 11. Feb 2003 07:23
Date: 2002
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > ZAH: Astronomisches Rechen-Institut
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Stellardynamik, Gravitationskollaps, Astrophysik
Uncontrolled Keywords: astrophysik , sternhaufen , stellardynamik , massensegregation , modellierungastrophysics , star clusters , dynamics , mass segregation , simulations
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