[論文レビュー] The Initial Mass Function of GMCs

Leo Blitz, Erik Rosolowsky|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2004

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、局所群銀河内の巨大分子雲（GMC）の初期質量関数（IMF）を調査し、GMC質量分布は銀河ごとに異なるものの、サイズ-ライン幅関係および質量-ライン幅関係は普遍的であり、一定の表面密度および内部圧力を示唆している。これは、GMC内での物理的条件が一貫しているため、銀河ディスク全体で星の初期質量関数（IMF）が類似している可能性を示している。

ABSTRACT

The properties of GMCs in several Local Group galaxies are quantified and compared. It is found that the mass spectrum of GMCs varies from galaxy to galaxy. The variations are significant and do not appear to be the result of systematic uncertainties. Nevertheless, it appears that all of the GMCs follow the same size-linewidth and mass-linewidth relations with little scatter. The power law indices of these relations imply that the GMCs are self-gravitating, and that the mean surface density of Local Group GMCs is approximately constant. This, in turn, implies that the mean internal pressure of GMCs is also constant. If the IMF of stars is determined by a Jeans instability, this constant internal pressure suggests that the distribution of stellar masses does not vary significantly in galactic disks when averaged over suitably large areas. Thus, although the distribution of GMC masses produced by various Local Group galaxies is quite variable, the large-scale properties of the GMCs is not.

研究の動機と目的

• 異なる銀河における巨大分子雲（GMC）の性質を調査することで、星の初期質量関数（IMF）が銀河ディスク全体で一貫しているかどうかを明らかにすること。
• 銀河間でのGMC質量分布の違いが、星形成条件の違いまたはIMFの違いを示唆するかどうかを評価すること。
• 銀河の中心部、LMC、M33のGMCが同じ物理的スケーリング関係に従うかどうかを検証し、普遍的な自己重力的挙動を示すかどうかを確認すること。
• GMC表面密度および内部圧力の一定性が、ディスク銀河全体で普遍的な星の初期質量関数（IMF）を示唆するかどうかを評価すること。
• サイズ-ライン幅および質量-ライン幅関係における観測されたべき乗則的スケーリングが、ジェイムズ不安定性駆動のIMF起源を支持するかどうかを検討すること。

提案手法

• ハイ・リゾリューションで偏りのないCOサーベイから、ミルキーウェイ（Heyer et al. 2001）、LMC（Mizuno et al. 2001a）、M33（Engargiola et al. 2003）のGMCカタログを構築し、一貫したCOからH₂への換算係数 $X = 2 \times 10^{20}~\mathrm{cm}^{-2}~(\mathrm{K~km~s}^{-1})^{-1}$ を使用した。
• 各銀河の最も質量の大きな雲に累積質量分布を正規化することで、質量関数 $dN/dM \propto M^{-\alpha}$ を導出し、銀河間比較を可能にした。
• 雲のFWHMライン幅 $\Delta V$ と物理的直径 $R$ を用いてサイズ-ライン幅関係を分析し、べき乗則的スケーリング $\Delta V \propto R^{0.5}$ が成り立つかを検証した。
• CO放射度 $L_{\mathrm{CO}}$ をH₂質量の代理として用い、質量-ライン幅関係を検証し、自己重力の証拠として $L_{\mathrm{CO}} \propto \Delta V^4$ が成り立つかを確認した。
• Virial関係 $\Delta V^2 \propto GM/R$ を用いて自己重力を評価し、Virial定理における $\alpha \approx 1$ が成り立つことで、$M \propto \Delta V^4$ が得られることを確認した。
• サイズ-ライン幅関係および質量-ライン幅関係から、平均表面密度 $\Sigma_{\mathrm{gas}} \approx 100~M_\odot~\mathrm{pc}^{-2}$ を計算し、内部圧力 $P \propto \Sigma_{\mathrm{gas}}^2$ を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミルキーウェイ、LMC、M33におけるGMCの質量関数は、それぞれの銀河間で顕著に異なるか？
• RQ2 GMCのサイズ-ライン幅関係は局所群全体で普遍的か？ これは雲の自己重力に何を示唆するか？
• RQ3 質量-ライン幅関係 $L_{\mathrm{CO}} \propto \Delta V^4$ は銀河全体で成り立つか？ これは一定の表面密度を示唆するか？
• RQ4 GMC表面密度の一定性は、内部圧力および星形成条件に何を示唆するか？
• RQ5 GMC性質の観測された一貫性は、星の初期質量関数（IMF）がディスク銀河全体で不変であることを示唆するか？

主な発見

• ミルキーウェイ、LMC、M33におけるGMCの質量関数はべき乗則 $dN/dM \propto M^{-\alpha}$ に従い、M33では $\alpha \approx 2.3$ であり、内側のミルキーウェイよりもはっきりとした勾配を示す。
• 質量分布の違いはあったが、すべての3つの銀河でサイズ-ライン幅関係 $\Delta V \propto R^{0.5}$ が成り立っており、自己重力的雲であることを示している。
• 質量-ライン幅関係 $L_{\mathrm{CO}} \propto \Delta V^4$ は、勾配が4の単一のべき乗則でよく記述されており、自己重力および一定の表面密度を確認している。
• 3つの銀河全体で、GMCの平均表面密度は $\sim 100~M_\odot~\mathrm{pc}^{-2}$ とほぼ一定であり、散らばりは2倍以内にとどまる。
• したがって、内部圧力 $P \propto \Sigma_{\mathrm{gas}}^2$ は、これらの銀河のGMC間でほぼ一定であり、星形成の物理的条件が類似していることを示唆している。
• 内部圧力の一定性は、星の初期質量関数（IMF）がディスク銀河全体で顕著に異なるものではないという仮説を支持しており、それがジェイムズ不安定性によって駆動されていると仮定すれば成立する。