大质量星团形成 I. 分辨单个恒星反馈下的高恒星形成效率

导致球状星团和年轻大质量星团形成的恒星形成模式难以通过观测约束。我们提出使用 Torch 框架的大质量星团形成模型，该框架利用 AMUSE 耦合处理恒星形成、恒星演化与动力学、辐射转移和磁流体力学的不同多物理场代码。我们通过实现 N 体代码 PeTar 升级 Torch，从而使 Torch 能够处理由 $10^6\rm\, M_\odot$ 云团形成、包含 $\ge10^5$ 颗单颗恒星的大质量星团。我们展示了 Torch 模拟的结果，模拟对象为从 $10^4, 10^5$ 和 $10^6\rm M_\odot$ 湍流球形气体云（命名为 M4、M5、M6）形成的星团，半径 $R=11.7$ pc。我们发现恒星形成效率很高，且在更高云质量和面密度下变得更高。对于初始面密度 $2.325\times 10^{1,2,3}\rm\, M_\odot\, pc^{-2}$ 的 M4、M5 和 M6，在经过自由落体时间 $t_{ff}=6.7,2.1,0.67$ Myr 后，我们发现分别有 $\sim$30%、40% 和 60% 的云质量形成了恒星。M4、M5 和 M6 的最终积分恒星形成效率分别为 32%、65% 和 85%。对类似 M4 的邻近星团的观测显示出 $\leq$30% 的类似积分恒星形成效率。M5 和 M6 模型代表了不同的星团形成 regime，更适用于星暴星系和高红移富气星系的条件，并导致显著更高的恒星形成效率。我们认为年轻大质量星团通过在足够致密（$\ge 10^2 \rm\,M_\odot\,pc^{-2}$）和足够大质量（$\ge10^5\rm\, M_\odot$）的区域中短促而高效的恒星形成爆发而构建。在此类环境中，云的动力时标变得足够短，以至于恒星反馈无法足够快地作用以减缓恒星形成。