[논문 리뷰] On the constancy of the high-mass slope of the initial mass function

Paul C. Clark, Simon C. O. Glover외 2명|ArXiv.org|2009. 04. 21.

Computational Physics and Python Applications참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 유 bound 성단 내에서의 경쟁적 응집이 다양한 환경에서 초기질량함수(IMF)의 보편적인 살피터 유사한 고질량 기울기(α ≈ -2.35)를 자연스럽게 생성한다고 제안한다. 이 메커니즘은 성단의 중력역학에 따라 원시성들이 공통의 가스 저축에서 응집할 때 발생하며, 피드백, 난류, 자석장에 대해 강건하여 금속성도나 국지적 조건이 Z ≳ 10⁻⁵ Z☉를 초과하는 이상 고질량에서 일관된 IMF 기울기를 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 천체물리적 환경에서 관측된 고질량 초기질량함수(IMF) 기울기의 보편성을 설명하기 위해.
• 금속성도가 다양한 성형 영역에서 경쟁적 응집이 일관된 살피터 유사 기울기(α ≈ -2.35)를 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 성별 피드백, 난류, 자석장과 같은 파괴적 물리적 과정에 대해 경쟁적 응집과 그 결과로 나타나는 IMF 기울기가 얼마나 강건한지 평가하기 위해.
• 경쟁적 응집이 고질량 성형에서 고립된 별 형성보다 지배적인 조건가 되는 조건을 규명하기 위해.
• 금속성이 냉각과 분열을 가능하게 하여 경쟁적 응집에 필수적인 유 bound 원시성군 형성에 기여하는 역할을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 성단 내 원시성들이 성단의 중력잠재력에 의해 지배되는 공통의 가스 저축에서 응집하는 bound 성단 내 경쟁적 응집을 모델링하기 위해.
• 역학적 시간스케일(t_ff), 응집 시간스케일(τ_acc), 이중성 확산 시간스케일(t_AD)을 사용하여 경쟁적 응집이 고립된 붕괴보다 지배적인 조건를 평가하기 위해.
• 금속성도에 따라 저밀도에서 선 방출과 고밀도에서 먼지 연속기여를 통해 분열 조건을 평가하고, 이를 기반으로 저밀도와 고밀도에서의 잭슨 질량과 냉각 메커니즘을 분석하기 위해.
• 비이상 MHD 영역에서 특히 피드백, 난류, 자석장에 대한 강건성을 시험하기 위해 유체역학 및 자기유체역학 시뮬레이션을 적용하기 위해.
• 고질량 영역(m ≳ 0.3 M☉)에 집중하여 클러스터 환경에서의 응집률과 질량 증가를 비교하고, 그 결과로 나타나는 IMF 기울기를 예측하기 위해.
• 원시적 별 형성에서 금속성화된 별 형성으로의 전이를 평가하여, Z ≳ 10⁻⁵ Z☉에서 냉각과 분열이 발생함을 보여주고, 이로 인해 경쟁적 응집이 가능해짐을 밝히기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고질량 IMF 기울기를 결정하는 데 있어 경쟁적 응집이 고립된 별 형성보다 지배적인 조건는 무엇인가?
• RQ2 금속성이 경쟁적 응집이 발생하기 위해 필요한 냉각과 분열의 시작에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 성별 피드백, 난류, 자석장과 같은 파괴적 효과에 대해 경쟁적 응집과 그 결과로 나타나는 IMF 기울기가 얼마나 강건한가?
• RQ4 왜 살피터 기울기(α ≈ -2.35)는 오리온, ρ Oph, LMC를 포함한 다양한 환경에서 고질량 IMF에서 보편적으로 관측되는가?
• RQ5 클러스터 밀도, 금속성도, 피드백의 변화에도 불구하고 고질량 IMF 기울기가 일정하게 유지되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 경쟁적 응집은 다양한 금속성도(Z ≳ 10⁻⁵ Z☉)에서 bound 성단 내에서 고질량 IMF 기울기를 살피터 값(α ≈ -2.35)과 일치시키는 결과를 낳는다.
• 고질량 IMF 기울기가 보편적인 이유는 경쟁적 응집이 성단의 중력잠재력과 공통 가스 저축의 가용성에만 의존하고 국지적 분열 세부사항에는 영향을 받지 않기 때문이다.
• 저밀도에서 선 방출(적용 밀도 n ≲ 10⁷ cm⁻³)과 고밀도에서 먼지 연속기여를 통한 냉각이 다수의 잭슨 질량으로 분열을 가능하게 하여, 금속성도가 10⁻⁵ Z☉ 이상일 때 경쟁적 응집이 가능해진다.
• 수치 시뮬레이션은 경쟁적 응집이 강한 피드백, 초음속 난류, 자석장 조건에서도 효과적으로 유지됨을 확인하였으며, 특히 응집 시간스케일이 역학적 시간스케일보다 짧을 경우에 더욱 그렇다.
• 이상 및 비이상 MHD 영역 모두에서 이 과정은 강건하며, 이중성 확산과 자석장 브레이킹은 소규모 디스크 특성에 영향을 주지만 대규모 응집 역학에는 영향을 주지 않는다.
• 모델은 살피터 기울기가 군집별 별 형성의 일반적 결과임을 예측하여, 지역 및 고적도 환경에서 관측된 보편성을 설명한다.