[論文レビュー] The Stellar Initial Mass Function and Beyond

Richard B. Larson|arXiv (Cornell University)|May 27, 2002

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、星形成初期質量関数（IMF）をレビューし、太陽質量に近い特徴的な星の質量が、分子雲内のジェイムズ質量クラスターに起因するのだと提案している。一方、高質量域におけるサルペーターのべき乗則的IMFは、密な星団内のガス降着および動的過程に起因する可能性がある。主な貢献は、普遍的IMF（特徴的質量とべき乗則的尾部を有する）を支持する観測的・シミュレーション的証拠の統合であり、また、密な星団内でのランアウェイ合体によって巨大ブラックホールが形成される可能性の提言である。

ABSTRACT

A brief review is given of the basic observed features of the stellar IMF, and also of some of the theoretical ideas and simulations that may help to explain these features. The characteristic stellar mass of order one solar mass may derive from the typical masses of the observed star-forming clumps in molecular clouds, and the typical clump mass may in turn be determined mainly by the Jeans mass, as is true in many numerical simulations of cloud collapse and fragmentation. The Salpeter power law that approximates the IMF at higher masses is less well understood, but it may result from the effects of continuing gas accretion by the more massive forming stars together with the effects of interactions and mergers in dense forming stellar systems. The mass of the most massive star that forms in a cluster is observed to increase systematically with the mass of the cluster, and the most massive clusters may form stars that are massive enough to collapse completely to black holes.

研究の動機と目的

• 星形成初期質量関数（IMF）に関する観測的および理論的証拠を統合し、その背後にある物理的起源を明らかにすること。
• IMFが星団や銀河領域などの異なる環境において普遍的であるか、それとも変動するかを評価すること。
• 高質量域における観測されたべき乗則的IMFを生じさせる物理的メカニズム（特にガス降着および星の合体）を調査すること。
• IMFと密な星系内における巨大ブラックホール形成との関連を探索すること。
• 分子雲内のクラスター質量が、太陽質量に近い特徴的星の質量の起源であるとみなすこと。

提案手法

• フィールド星および若い星団の観測データを分析し、さまざまな質量範囲におけるIMFを制約すること。
• 雲の崩壊と破壊を模擬する数値シミュレーションをレビューし、ジェイムズ質量がクラスター質量を決定する役割を強調すること。
• サルペーターのべき乗則（勾配 x = 1.35）と、0.5 M☉未満および以上の質量に対してKroupaの三段階べき乗則IMFといった代替近似を評価すること。
• クラスター質量に依存する最大星質量の依存関係を調べ、降着および合体プロセスを推測するために観測的傾向を用いること。
• 密な星団の力学をモデル化し、ランアウェイ合体によって非常に巨大星およびブラックホールが形成されることを説明すること。
• X線観測および動的証拠を検討し、若い星団内に中間質量ブラックホールが存在することを間接的に支持するものとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IMFにおける太陽質量に近い特徴的星の質量を決定づける物理的プロセスは何か？
• RQ2 なぜIMFは高質量域でサルペーターに類似したべき乗則的分布を示すのか？ そして、その挙動を維持するメカニズムは何か？
• RQ3 IMFはどの程度普遍的であり、環境、金属量、またはクラスター質量に依存して変動するのか？
• RQ4 密な星団内での降着および星の合体は、どのようにして巨大星およびブラックホールの形成に寄与するのか？
• RQ5 クラスター質量に依存する最も大きな星の質量依存性は、動的プロセスおよび降着によって説明可能か？

主な発見

• 太陽質量に近い特徴的星の質量は、分子雲内の原始的クラスターの典型的質量に起因しており、これはシミュレーションにおけるジェイムズ質量によって支配されている。
• 高質量域におけるサルペーターのべき乗則的IMF（勾配 x = 1.35）は完全には理解されていないが、密な星系内での継続的ガス降着および動的相互作用に起因する可能性がある。
• 低質量域ではIMFが平坦化（x ≈ 0、0.08–0.5 M☉）し、褐色矮星領域では減少（x = –0.7）するため、星の質量の大部分は太陽質量に近い星に集中している。
• 観測では、クラスター内の最大星質量がクラスター質量とともに増加するが、サルペーター則が予測するほど急激ではなく、降着および合体プロセスが関与していると示唆される。
• 非常に巨大星およびブラックホールは、質量が大きく、若い密な星団内でのランアウェイ合体によって形成される可能性があり、X線観測はこのような系内に中間質量ブラックホールが存在することを支持している。
• 理論的モデルは、銀河中心のブラックホールが、星団およびその埋め込まれたブラックホールの繰り返し合体を通じて成長すると示唆しており、観測されたブラックホール–バルジ質量関係を説明できる可能性がある。