首批星系中的恒星形成——III. 第一个恒星团的形成、演化与特征

我们模拟了红移 z~14 处一个矮星系中低金属丰度(0.01 Zsun)恒星团的形成。模拟从宇宙学初始条件出发,利用自适应网格加密与汇粒子来追踪气体越过碎裂不透明度极限后的坍缩与演化,从而分辨出单个原恒星核的形成。通过对原恒星演化轨迹用 MESA 代码进行积分,计算出一个随时间与位置变化的原恒星辐射场,该辐射场通过尘埃吸收加热气体。模拟还包含一个稳健的非平衡化学网络,自洽地处理气体热力学与尘气耦合。在第一个原恒星源形成后,系统演化了 18 kyr。在此期间,形成了 30 个代表原恒星核的汇粒子,总质量达 81 Msun。其质量范围从约 0.1 Msun 到 14.4 Msun,中位质量约 0.5-1 Msun。大质量原恒星通过竞争吸积生长,而低质量原恒星因近距离相遇与多体抛射而生长受阻。在此探索的区间内,特征质量尺度由宇宙微波背景设定的温度下限以及高效尘气耦合的起始所决定。首批富金属恒星形成爆发的主星系似乎不太可能被 James Webb Space Telescope 或其他下一代红外天文台探测到。相反,通往宇宙恒星形成黎明最有希望的观测途径可能在于审视银河系邻近区域的贫金属古老恒星族群。与本文所模拟系统对应的可观测目标包括超暗矮卫星星系,如 Bootes II、Segue I 和 II,以及 Willman I。