[論文レビュー] On the constancy of the high-mass slope of the initial mass function

Paul C. Clark, Simon C. O. Glover+2 more|ArXiv.org|Apr 21, 2009

Computational Physics and Python Applications参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、束縛星団における競合的降着が、多様な環境下でも普遍的なサルペターに類似した高質量領域の傾き（α ≈ -2.35）を初期質量関数（IMF）に自然に生じることを提案する。このメカニズムは、星団内の原始星が重力的力学に従って共通のガス貯留源から降着する場合に生じ、フィードバック、乱流、磁場に対しても頑健であり、金属量や局所的条件（Z ≳ 10⁻⁵ Z☉を除く）にかかわらず、高質量領域における一貫したIMF傾きをもたらす。

ABSTRACT

The observed slope at the high-mass end of the initial mass function (IMF) displays a remarkable universality in a wide variety of physical environments. We predict that competitive accretion, the ongoing accretion of gas from a common reservoir by a collection of protostellar cores, can provide a natural explanation for such a universal slope in star forming regions with metallicities roughly greater than 1e-5 the solar value. In our discussion, we point out that competitive accretion will occur whenever a gaseous region has multiple Jeans masses of material and contains large-scale motions that are controlled by the gravitational potential well. We describe how and when these conditions can be reached during the chemical enrichment of the Universe, showing that they can occur for a wide range of metallicities and environmental conditions. We also discuss the ability of other physical processes to limit the effects of further accretion onto protostellar cores. Current theoretical and numerical studies show that competitive accretion is robust against disrupting effects - such as feedback from young stars, supersonic turbulence and magnetic fields - in all but the most extreme cases.

研究の動機と目的

• 多様な天体物理学的環境において観測される高質量初期質量関数（IMF）傾きの普遍性を説明すること。
• 金属量が異なる星形成領域において、競合的降着が一貫したサルペターに類似した傾き（α ≈ -2.35）を生じるかどうかを調査すること。
• 星のフィードバック、乱流、磁場といった破壊的物理的過程に対して、競合的降着の頑健性を評価すること。
• 競合的降着が孤立した星形成に優位に働くようになる条件を特定すること。
• 金属量が冷却と分割を促進し、競合的降着に不可欠な束縛された原始星団を形成する役割を調査すること。

提案手法

• 原始星が星団の重力ポテンシャルに従って共通のガス貯留源から降着する束縛星団における競合的降着のモデル化。
• 動的時​​間隔（t_ff）、降着時​​間隔（τ_acc）、および双極性拡散時​​間隔（t_AD）を用いて、競合的降着が孤立した崩壊に優位に働く条件を評価。
• 金属量に依存する冷却機構（低密度では線スペクトル放射、高密度ではダスト連続スペクトル）を用いて、分割の条件を評価。
• 非理想MHD状態を含め、フィードバック、乱流、磁場に対する頑健性を検証するため、流体および磁気流体力学的シミュレーションを適用。
• 集団環境における降着率と質量成長を比較し、特に高質量領域（m ≳ 0.3 M☉）に注目して、得られるIMF傾きを予測。
• 原始星形成から金属量が豊富な星形成への遷移を評価し、冷却と分割が Z ≳ 10⁻⁵ Z☉ で発生することを示し、競合的降着を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 競合的降着が高質量IMF傾きを決定づけるために、孤立した星形成に優位に働く条件は何か？
• RQ2 金属量は、競合的降着を可能にするために必要な冷却と分割の開始にどのように影響するか？
• RQ3 星のフィードバック、乱流、磁場といった破壊的要因に対して、競合的降着およびその結果得られるIMF傾きはどの程度頑健か？
• RQ4 オリオン、ρ Oph、LMCを含む多様な環境で観測されるサルペター傾き（α ≈ -2.35）の普遍的現象はなぜ生じるのか？
• RQ5 クラスタ密度、金属量、フィードバックの変動にかかわらず、高質量IMF傾きが一定に保たれる物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 競合的降着は、金属量の広い範囲（Z ≳ 10⁻⁵ Z☉）における束縛星団で、サルペター値（α ≈ -2.35）に類似した高質量IMF傾きを自然に生じる。
• 高質量IMF傾きが普遍的であるのは、競合的降着が星団の重力ポテンシャルと共通のガス貯留源の有無にのみ依存し、局所的な分割の詳細には依存しないからである。
• 線スペクトル放射（n ≲ 10⁷ cm⁻³）とダスト連続スペクトル（高密度域）による冷却が、複数のジェインス質量への分割を可能にし、金属量が10⁻⁵ Z☉を超えると競合的降着を促進する。
• 数値シミュレーションにより、強力なフィードバック、非圧縮乱流、磁場下でも競合的降着が有効に機能することが確認され、特に降着時​​間隔が動的時​​間隔より短い場合に顕著である。
• 理想および非理想MHD状態の両方でプロセスは頑健であり、双極性拡散と磁場ブレーキングは小スケールのディスク構造に影響を及ぼすが、大スケールの降着ダイナミクスに影響を与えない。
• モデルは、サルペター傾きが集団的星形成の普遍的結果であると予測し、これにより、局所的および高赤方偏移環境における観測の普遍性が説明できる。