A systematic method to identify runaways from star clusters produced from single-binary interactions: a case study of M67.

Abstract

Runaway stars are thought to have been ejected from star clusters with high velocities relative to the cluster centre-of-mass motion. There are two competing mechanisms for their production: supernova-based ejections in binaries, where one companion explodes leaving no remnant and launching the other companion at the instantaneous orbital velocity, and the disintegration of triples (or higher-order multiples) producing a recoiled runaway binary (RB) and a runaway star (RS). After discussing the theoretical expectations for both mechanisms, we search for runaway star candidates using data from the Gaia DR3 survey, with a focus on triple disintegration in the old open cluster M67. We create a systematic methodology to look for candidate RS/RB runaway pairs produced from the disintegration of bound three-body systems formed from single-binary interactions, based on momentum conservation and causality. The method is general, and can be applied to any cluster having a 5D kinematic data set. We use our criteria to search for these pairs in a 150 pc circular field of view surrounding the open cluster M67, which we use as a benchmark cluster to test the robustness of our method. Our results reveal only one RS/RB pair that is consistent with all of our selection criteria, out of an initial sample size of ∼ 108 pairs (i.e., ∼ 104 objects).

Las estrellas fugitivas o "Runaway Stars" son estrellas que se cree, han sido expulsadas de sus respectivos cúmulos estelares con altas velocidades relativas al movimiento del centro de masa del cúmulo. Existen dos mecanismos para su producción: expulsiones basadas en supernovas en sistemas binarios, donde la estrella compañera explota sin dejar un remanente y lanza a la otra a una velocidad orbital instantánea, y la desintegración de sistemas triples (o sistemas múltiples de orden superior) que produce una estrella binaria fugitiva, Runaway Binary (RB) y una estrella fugitiva solitaria, Runaway Star (RS). Después de discutir las expectativas teóricas para ambos mecanismos, buscamos candidatos a estrellas fugitivas utilizando datos del telescopio espacial Gaia DR3, con enfoque en la desintegración triple en el antiguo cúmulo abierto M67. Creamos una metodología sistemática para buscar pares candidatos de RS/RB producidos por la desintegración de sistemas de tres cuerpos ligados, formados a partir de interacciones entre sistema binario y una estrella solitaria, basada en la conservación del momentum y la causalidad. El método es generalizado y puede ser aplicado a cualquier cúmulo que tenga un conjunto de datos cinemáticos 5D. Utilizamos diversos criterios para buscar estos pares en un campo de visión circular de 150 pc alrededor del cúmulo abierto M67, el cual es utilizado como cúmulo de referencia para probar la robustez de nuestro método. Nuestros resultados revelan solo un par de RS/RB que es consistente con todos nuestros criterios de selección, de un tamaño de muestra inicial de 108 pares (es decir, 104 objetos).