Star cluster formation in the early universe: from PopIII clusters to globular clusters

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01934
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: HOSOKAWA Takashi 京都大学, 理学研究科, 准教授 (30413967)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 星団形成 / 初代星 / 種族III星 / 超巨大ブラックホール / 電離領域 / 輻射流体力学 / 数値シミュレーション

Outline of Final Research Achievements

We have carried out several theoretical studies, mainly on cluster formation in the early universe. For Pop III star formation, we confirmed the birth of small clusters, including binary systems, through disk fragmentation and radiative feedback. We have also identified the possibility of supermassive star formation when cold accretion first appears in the Universe. Our 3D radiation hydrodynamics (RHD) simulations also showed that rapid mass accretion, as realized in this case, produces protostars with very large radii. Using RHD simulations, we also showed that cluster formation at moderately low metallicity is the best explanation for recent JWST observations of galaxies, since the initial mass function becomes top-heavy as metallicity decreases, but star formation efficiency also decreases.

Free Research Field

天体物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ビッグバン後に初めて誕生する恒星内部では、酸素や炭素などの重元素が初めて合成されるので、我々を含む生命誕生にいたる第一歩である。したがって、未踏の初期宇宙で何が起きたのかを研究することは我々の起源を探ることに直結する。ビッグバン時の元素組成をそのまま残す初代星、あるいは極少量の重元素だけを含むような星形成はこれまで観測の手の届かない、超遠方の宇宙が舞台と考えられもっぱら理論的研究の対象だった。しかし、最近のJWSTの活躍によって、かつてないほどの遠方宇宙が観測の対象となり、理論研究と観測研究がついに出会うときが近づいている。このような背景のもと、本研究成果もこの進展に寄与するものである。