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Abstract

Many aspects of star cluster formation and evolution are unconstrained. This thesis presents models of star cluster formation — including gas and stellar dynamics, sub-grid star formation, stellar evolution, and stellar feedback — from turbulent gas clouds of initial mass 10⁴, 10⁵, and 10⁶ M⊙. The latter is one of the largest star-by-star cluster models to date and has provided many new insights into the formation and early evolutionary properties of young massive star clusters. First, I examine the global properties of each cloud, particularly noting the high star formation efficiency. In sufficiently dense and massive clus- ters, stellar feedback is unable to quench star formation as gravity overpowers it. Next, I identify a novel mechanism for the production of runaway stars in young clusters, the sub-cluster ejection scenario, in which a subset of stars in an infalling sub-cluster are ejected by a tidal interaction with the assembling cluster’s center of mass. Lastly, I analyze the presence of dynamical mass segregation in the models, where massive stars are more centrally clustered than low-mass stars. These models have no primordial mass segregation by construction. Young clusters can undergo early dynamical mass segregation during core collapse when the crossing time is substantially reduced.

Translation of abstract (German)

Viele Aspekte der Sternhaufenbildung und -entwicklung sind noch ungeklärt. In dieser Dissertation präsentiere ich Modelle der Stern- haufenbildung, unter Berücksichtigung der Gas- und Stellardynamik, Sternentstehung und Sternentwicklung, und realistischer Modelle für stellares Feedback. Ich betrachte turbulente Gaswolken mit anfängli- chen Massen von 10⁴, 10⁵, und 10⁶ M⊙. Letztere ist eine der größten Rechnungen in dieser Klasse und erlaubt viele neue Einblicke in die Bildung und frühen Entwicklungseigenschaften junger massereicher Sternhaufen. In der hier vorgelegten Arbeit untersuche ich zunächst die globalen Eigenschaften jeder Wolke, insbesondere die Sternent- stehungseffizienz. In ausreichend dichten und massereichen Haufen ist stellares Feedback nicht in der Lage, die Sternentstehung zu un- terdrücken, da die Eigengravitation überwiegt. Als nächstes identifi- ziere ich einen neuartigen Mechanismus zum Auswurf von Sternen in jungen Haufen, das Subcluster-Ejektionszenario, bei dem eine Un- tergruppe von Sternen in einem einfallenden Subcluster durch Gezei- tenwechselwirkung mit dem Massenschwerpunkt des sich bildenden Haufens ausgeworfen wird. Schließlich analysiere ich die Eigenschaf- ten der dynamischen Massen-Segregation, bei der massereiche Ster- ne stärker als massearme Sterne im Zentrum konzentriert sind. Die hier betrachteten Modelle haben von Anfang an keine primordiale Massen-Segregation, allerdings können junge Haufen während des Kernkollapses eine frühe Phase der Massen-Segregation durchlaufen, wenn die dynamische Zeitskala erheblich verkürzt ist.