[論文レビュー] The IMF of simple and composite populations

Pavel Kroupa|ArXiv.org|Aug 8, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、星形成率に応じて銀河規模のIMFが変化することを示す非一様初期質量関数（IGIMF）定理を提案する。これは、IMFが普遍的であるとしても成立する。観測された銀河データはIGIMFの予測を支持しており、また、銀河中心や金属量が低い系のような極端な環境ではIMFの普遍性に逸脱が生じる可能性も示している。

ABSTRACT

The combination of a finite time-scale for star formation, rapid early stellar evolution and rapid stellar-dynamical processes imply that the stellar IMF cannot be inferred for any star cluster independently of its age (the Cluster IMF Theorem). The IMF can nevertheless be constrained statistically by evolving many theoretical populations drawn from one parent distribution and testing these against observed populations. It follows that all known well-resolved stellar populations are consistent with having been drawn from the same parent mass distribution. The IMF Universality Hypothesis therefore cannot be discarded despite the existence of the Cluster IMF Theorem. This means that the currently existing star-formation theory fails to describe the stellar outcome, because it predicts a dependency of the IMF on the physical boundary conditions not observed. The IGIMF Theorem, however, predicts a variation of galaxy-wide IMFs in dependence of the galaxy's star-formation rate even if the IMF Universality Hypothesis is valid. This variation has now been observed in SDSS galaxy data. Detailed analysis of the binary properties in the very-low-mass star and brown dwarf (BD) mass regime on the one hand, and in the stellar regime on the other, shows there to be a discontinuity in the IMF near 0.1Msun such that BDs follow a separate distribution function. Very recent observations of the stellar population within 1pc of the nucleus of the MW do suggest a top-heavy IMF, perhaps hinting at a variation of the star-formation outcome with tidal field and temperature thereby violating the IMF Universality Hypothesis under these physically extreme conditions. Another violation of this hypothesis appears to emerge for extremely metal-poor stars such that the primordial IMF appears to have been depleted in low-mass stars.

研究の動機と目的

• 理論的星形成モデルが物理的条件に依存してIMFが変化すると予測するのに対し、観測ではIMFの普遍性が示されているという矛盾を解消すること。
• クラスタのIMFが動的および進化的過程によって年齢に依存することを示す、クラスタIMF定理を確立すること。
• 解像度の高いクラスターや合成系を含む多様な星族に対して、IMF普遍性仮説の妥当性を検証すること。
• 銀河中心や極めて金属量が低い系のような極端な環境で、IMFの普遍性が破綻する可能性を調査すること。
• 観測的制約に基づき、初期質量関数がプレ星形成核段階で凍結されているかどうかを特定すること。

提案手法

• 有限な星形成 timescale、急速な星の進化、および動的過程の影響を組み合わせてモデル化することで、クラスタIMF定理を導出する。
• 理論的集団を一つの親質量分布から多数生成し、観測された星族と比較することで統計的推論を行う。
• 複数系が解像できない状態を補正するための多次元最適化技術を適用し、観測された光度関数から真の星のIMFを導出する。
• 星の進化、多重性、動的バイアスを補正した上で、多様な星族の観測された星質量関数を比較することで、IMF普遍性仮説を検証する。
• 普遍的クラスタIMFを仮定して、星形成率に応じた銀河規模のIMFの変化を予測するIGIMF定理を構築する。
• 銀河中心部および金属量が低い星の高解像度観測を分析し、標準IMFからの逸脱を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のクラスタにおける年齢依存の動的および進化的効果を考慮しても、IMFはすべての星族に普遍的に適用可能か？
• RQ2 星形成率に応じた銀河規模のIMFの変化が、IMFの普遍性を仮定した下でIGIMF定理を支持するか？
• RQ3 高密度、強い潮汐場、または低金属量といった物理的条件では、IMFが普遍性から逸脱するか？
• RQ4 雲核質量関数と標準IMFの類似性から、星のIMFがプレ星形成核段階で既に決定されているとされるが、真か？
• RQ5 銀河中心部および金属量が極めて低い星の観測結果は、トップヘビィまたは低減したIMFを示唆するか？これによりIMF普遍性仮説が挑戦を受けるか？

主な発見

• クラスタIMF定理が成立しても、すべての良好に解像された星族が同じ親質量分布から抽出されたと一致するため、IMF普遍性仮説を除外することはできない。
• IGIMF定理は星形成率に応じた銀河規模のIMFの変化をうまく予測しており、この予測はSDSS銀河データによって観測的に裏付けられている。
• 0.1 M☉付近にIMFの不連続性が見つかり、褐色矮星が星とは別個の質量関数に従い、形成メカニズムも異なることが示唆された。
• 銀河中心部の核から1 pc以内の観測から、トップヘビィIMFが示唆されており、極端な潮汐および熱的条件下でのIMFの変化の可能性を示している。
• 極めて金属量が低い星には、低質量星が欠損した原始IMFの証拠があり、初期宇宙におけるIMFの変化の可能性を示唆している。
• 標準IMF（α₁ ≈ 1.3 および α₂ ≈ 2.3）は、多重性および動的バイアスの補正後も、すべての観測された解像度の高い星族および太陽系近傍で適合している。