[논문 리뷰] The Initial Mass Function of GMCs

Leo Blitz, Erik Rosolowsky|arXiv (Cornell University)|2004. 11. 17.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 국부군 은하들 내 거대 분자운(GMCs)의 초기 질량 함수(IMF)를 조사하며, GMC 질량 분포는 은하 간에 다양하지만, 크기-속도반경과 질량-속도반경 관계는 보편적이며 일정한 표면 밀도와 내부 압력을 암시한다. 이는 GMC 내 물리 조건이 일관되므로 은하판 전반에 걸쳐 별의 초기 질량 함수가 유사할 것임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다른 은하들 내 거대 분자운(GMCs)의 특성을 연구함으로써, 은하판 전반에서 별의 初기 질량 함수(IMF)가 일관된지 확인하기 위해.
• 은하 간 GMC 질량 분포의 변동이 별 형성 조건의 차이 또는 IMF의 변동을 암시하는지 평가하기 위해.
• 우주선, LMC, M33의 GMC이 동일한 물리적 척도 관계를 따르는지 테스트하여 보편적인 자기중력 행동을 확인하기 위해.
• GMC 표면 밀도와 내부 압력의 일관성이 은하판 전반에 걸쳐 보편적인 별의 초기 질량 함수를 암시하는지 평가하기 위해.
• 크기-속도반경 및 질량-속도반경 관계에서 관측된 멱법칙 스케일링이 제인 불안정성에 기인한 IMF 기원을 지지하는지 검토하기 위해.

제안 방법

• 헤이어 등(2001)의 은하수, 미즈노 등(2001a)의 LMC, 엔가르골리아 등(2003)의 M33에서 고해상도·편향 없는 CO 조사로부터 GMC 카탈로그를 구축하였으며, 일관된 CO에서 H₂로의 변환 계수 $X = 2 \times 10^{20}~\mathrm{cm}^{-2}~(\mathrm{K~km~s}^{-1})^{-1}$를 사용하였다.
• 각 은하의 가장 무거운 구름에 기반해 누적 질량 분포를 정규화함으로써 질량 함수 $dN/dM \propto M^{-\alpha}$를 유도하여 은하 간 비교를 가능하게 하였다.
• 구름의 FWHM 속도반경 $\Delta V$와 물리적 지름 $R$을 사용하여 크기-속도반경 관계를 분석하였으며, 멱법칙 스케일링 $\Delta V \propto R^{0.5}$의 존재 여부를 검증하였다.
• CO 빛의 세기 $L_{\mathrm{CO}}$를 H₂ 질량의 대체 지표로 사용하여 질량-속도반경 관계를 검토하였으며, 자기중력의 존재를 추론하기 위해 $L_{\mathrm{CO}} \propto \Delta V^4$의 존재 여부를 테스트하였다.
• 비틀림 관계 $\Delta V^2 \propto GM/R$를 사용하여 자기중력을 평가하였으며, 비틀림 정리에서 $\alpha \approx 1$이므로 $M \propto \Delta V^4$임을 암시한다.
• 크기-속도반경 및 질량-속도반경 관계로부터 평균 표면 밀도 $\Sigma_{\mathrm{gas}} \approx 100~M_\odot~\mathrm{pc}^{-2}$를 계산하였으며, 내부 압력 $P \propto \Sigma_{\mathrm{gas}}^2$를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선, LMC, M33의 GMC 질량 함수는 은하 간에 유의미하게 다를까?
• RQ2 국부군 전반에서 GMC의 크기-속도반경 관계는 보편적인가? 이는 구름의 자기중력에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ3 GMC 질량-속도반경 관계 $L_{\mathrm{CO}} \propto \Delta V^4$는 은하 전반에서 성립하는가? 이는 일정한 표면 밀도를 암시하는가?
• RQ4 GMC 표면 밀도의 일관성은 내부 압력과 별 형성 조건에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ5 GMC 성질의 관측된 균일성은 은하판 전반에 걸쳐 별의 초기 질량 함수가 일정하다는 것을 시사하는가?

주요 결과

• 우주선, LMC, M33의 GMC 질량 함수는 멱법칙 $dN/dM \propto M^{-\alpha}$를 따르며, M33의 경우 $\alpha \approx 2.3$로 내부 은하의 경우보다 훨씬 더 급격하다.
• 질량 분포의 차이가 있음에도 불구하고, 모든 세 은하에서 크기-속도반경 관계 $\Delta V \propto R^{0.5}$가 유지되어 자기중력 구름임을 시사한다.
• 질량-속도반경 관계 $L_{\mathrm{CO}} \propto \Delta V^4$는 단일 멱법칙으로 잘 기술되며 기울기가 4이므로 자기중력과 일정한 표면 밀도를 확인한다.
• 세 은하 전반에서 GMC의 평균 표면 밀도는 약 $\sim 100~M_\odot~\mathrm{pc}^{-2}$로 거의 일정하며, 산란 범위는 두 배 이내이다.
• 따라서 내부 압력 $P \propto \Sigma_{\mathrm{gas}}^2$는 이들 은하의 GMC들 사이에서 거의 일정하며, 별 형성 조건이 유사하다는 것을 암시한다.
• 내부 압력의 일관성은 별의 초기 질량 함수가 은하판 전반에 걸쳐 유의미하게 다를 것이 없으며, 제인 불안정성에 의해 결정된다고 가정할 경우 이를 지지한다.