[論文レビュー] Review on low-mass stars and brown dwarfs

G. Chabrier, I. Baraffe+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 11

ひとこと要約

本レビューでは、低質量星および褐色矮星（BD）の統一的理論的枠組みを提示し、大スケールでの乱流駆動型破壊と小スケールでの重力が、平均熱的ジェーンズ質量（約1 M⊙）より上ではべき乗則の初期質量関数（IMF）を、それより下では対数正規分布を自然に生じさせることを主張している。これは観測されたBDおよび星の分布を説明する。また、BDと惑星の物理的区別としての重水素核反応限界を疑問視し、多くの直接撮像された「系外惑星」が実際には低質量BDである可能性が高いと主張する。

ABSTRACT

In this review, we examine the successes and weaknesses of modern low-mass star and brown dwarf theory.(1) We first focus on the mechanical (equation of state) and thermal (atmosphere) properties and on the evolution. We then examine the current shortcomings of the theory and we discuss recent observational analysis which have suggested discrepancies between models and observations.(2) We then examine the stellar and brown dwarf IMF and suggest that a power-law above the average thermal Jeans mass (about 1 Msol) rolling over a lognormal form below this limit adequately reproduces the observations of field and young cluster stellar and brown dwarf distributions. This yields a reasonably accurate estimate of the stellar and brown dwarf Galactic census. Finally (3) we argue that the combination of turbulence driven fragmentation at large scale and gravity at small scales provides an appealing solution for the general star and brown dwarf formation mechanism. It also provides a physical ground for the aforementioned power-law + lognormal form for the IMF, whereas a series of different power laws lacks such a physical motivation. At last, we argue that the deuterium-burning limit as the distinction between stars and planets has no physical foundation in this modern star formation scheme. Opacity limited fragmentation extending down to a few (< 10) jupiter masses, due to shocks, anisotropy or magnetic fields, provides a much more robust limit, even though difficult to determine accurately. Therefore, the various "direct" detections of exoplanets claimed recently in the literature are most likely regular low-mass brown dwarfs and the direct detection of an extrasolar planet remains for now elusive.

研究の動機と目的

• 観測的および実験的制約と照らし合わせて、低質量星および褐色矮星の理論的モデルの現状を評価すること。
• 星および褐色矮星の観測された初期質量関数（IMF）を、物理的に妥当な形成メカニズムと一致させること。
• 褐色矮星と惑星を区別する物理的根拠を再評価すること、特に重水素核反応限界の役割について。
• 改善されたIMFモデルを用いて、銀河系内における星および褐色矮星の正確な統計的把握を提供すること。
• 現代の星形成理論の文脈において、低質量天体の形成メカニズムを検討し、放出機構よりも乱流駆動型破壊を支持すること。

提案手法

• 重水素および水素の高圧衝撃実験（例：ガスガン、レーザー駆動、パルスパワー）と、状態方程式（EOS）、大気の光学厚さ、合成スペクトルの理論的モデルを比較すること。
• 衝突誘起吸収（例：H₂–H₂、H₂–He）および分子の光学厚さを組み込んだ非灰色合成大気モデルを用いて、スペクトルエネルギー分布を予測すること。
• 実験的圧力-密度-温度データに一致させるために、解離およびイオン化の見直しを施したSaumon-Chabrier-VanHorn EOSの適用。
• 分子雲における非定常乱流の数値シミュレーションを行い、高密度コアへの破壊をモデル化し、局所的なジェーンズ質量を超えるコアが重力によって崩壊を引き起こすことを検証すること。
• 得られた質量関数を、場所および若い集団の観測データにフィットさせ、べき乗則＋対数正規分布のIMF形態を検証すること。
• 非常に低質量星およびBDにおける連星頻度および降着円盤の特徴を統計的に分析し、動的放出が主要な形成機構でないことを除外すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の状態方程式および大気の光学厚さの理論的モデルは、水素および重水素の高圧実験データをどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 星および褐色矮星の観測された初期質量関数（IMF）は、乱流と重力に根ざした単一の物理的メカニズムによって説明可能か？
• RQ3 褐色矮星と惑星を区別する物理的根拠は何か？また、重水素核反応限界は有効な基準であるか？
• RQ4 低質量天体における降着円盤および連星系の観測は、星と同様の形成メカニズムを支持するか？
• RQ5 物理的に妥当なIMFモデルに基づくと、銀河系内における星および褐色矮星の予想される統計的把握はどの程度か？

主な発見

• H₂の解離を改善した修正版Saumon-Chabrier-VanHorn状態方程式は、ガスガンによる衝撃圧縮実験とよく一致し、温度差を約30％まで低減した。
• レーザー駆動およびパルスパワーによる衝撃実験は、最大5 Mbarの圧力を達成し、水素の圧力イオン化領域を調査したが、結果は一貫性に欠け、高圧状態方程式の不確実性は依然として残っている。
• 場所および若い集団の観測されたIMFは、平均熱的ジェーンズ質量（約1 M⊙）より上ではべき乗則、それより下では対数正規分布に最もよく適合し、乱流駆動型破壊と重力的崩壊と整合的である。
• 褐色矮星の周囲の降着円盤およびBDが関与する広い連星系の観測は、放出に基づく形成モデルとは整合せず、星と同様の破壊プロセスによる形成を支持する。
• 重水素核反応限界（0.013 M⊙）は、現代の星形成理論において物理的根拠を欠き、惑星と褐色矮星を区別する基準として廃止すべきである。
• 数ジュピター質量の「系外惑星」の直接検出は、衝撃波、非対称性、または磁場の影響により、重水素核反応限界以下にまで破壊が及ぶ可能性があるため、真の惑星ではなく低質量褐色矮星である可能性が高い。