[论文解读] The Initial Mass Function of GMCs

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

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文研究了本星系群星系中大质量分子云（GMCs）的初始质量函数（IMF），发现尽管不同星系中GMC的质量分布存在差异，但其大小-线宽关系与质量-线宽关系具有普适性，暗示其表面密度和内部压强恒定。这表明由于GMC中物理条件一致，星系盘中的恒星IMF可能在不同星系中也相似。

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.

研究动机与目标

• 通过研究不同星系中大质量分子云（GMCs）的性质，确定恒星的初始质量函数（IMF）在星系盘中是否一致。
• 评估不同星系中GMC质量分布的差异是否意味着恒星形成条件不同或IMF存在变化。
• 检验银河系、大麦哲伦云（LMC）和M33中的GMC是否遵循相同的物理标度关系，以表明其具有普适的自引力行为。
• 评估GMC表面密度和内部压强的恒定性是否意味着星系盘中恒星IMF具有普适性。
• 检验在大小-线宽与质量-线宽关系中观测到的幂律标度是否支持IMF起源于Jeans不稳定性。

提出的方法

• 利用高分辨率、无偏的CO巡天数据构建GMC星表，涵盖银河系（Heyer et al. 2001）、大麦哲伦云（LMC）（Mizuno et al. 2001a）和M33（Engargiola et al. 2003），并采用一致的CO到H₂转换因子 $X = 2 \times 10^{20}~\mathrm{cm}^{-2}~(\mathrm{K~km~s}^{-1})^{-1}$。
• 通过将累积质量分布归一化至每星系中最重的云，推导质量函数 $dN/dM \propto M^{-\alpha}$，以实现跨星系比较。
• 利用云的FWHM线宽 $\Delta V$ 和物理直径 $R$ 分析大小-线宽关系，检验是否存在幂律标度 $\Delta V \propto R^{0.5}$。
• 通过CO光度 $L_{\mathrm{CO}}$ 作为H₂质量的代理，检验质量-线宽关系是否满足 $L_{\mathrm{CO}} \propto \Delta V^4$，以推断自引力作用。
• 利用virial关系 $\Delta V^2 \propto GM/R$ 评估自引力作用，其中virial定理中 $\alpha \approx 1$，意味着 $M \propto \Delta V^4$。
• 从大小-线宽关系与质量-线宽关系推算出平均表面密度 $\Sigma_{\mathrm{gas}} \approx 100~M_\odot~\mathrm{pc}^{-2}$，并推断内部压强 $P \propto \Sigma_{\mathrm{gas}}^2$。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系、LMC和M33中GMC的质量函数在不同星系间是否存在显著差异？
• RQ2 GMC的大小-线宽关系在本星系群中是否具有普适性？其对云的自引力行为有何含义？
• RQ3 质量-线宽关系 $L_{\mathrm{CO}} \propto \Delta V^4$ 是否在各星系中均成立，是否表明表面密度恒定？
• RQ4 GMC表面密度的恒定性对内部压强和恒星形成条件有何含义？
• RQ5 GMC性质的统一性是否意味着星系盘中恒星IMF保持不变？

主要发现

• 银河系、LMC和M33中GMC的质量函数遵循幂律 $dN/dM \propto M^{-\alpha}$，其中M33的 $\alpha \approx 2.3$，显著陡于银河系内区。
• 尽管质量分布存在差异，所有三个星系中均保持大小-线宽关系 $\Delta V \propto R^{0.5}$，表明云具有自引力特性。
• 质量-线宽关系 $L_{\mathrm{CO}} \propto \Delta V^4$ 可由单一幂律（斜率为4）良好描述，证实了自引力作用和表面密度恒定。
• 三个星系中GMC的平均表面密度约为 $\sim 100~M_\odot~\mathrm{pc}^{-2}$，仅存在约两倍的离散度。
• 因此，GMC的内部压强 $P \propto \Sigma_{\mathrm{gas}}^2$ 在这些星系中几乎恒定，暗示恒星形成条件相似。
• 内部压强的恒定性支持了恒星IMF在星系盘中不发生显著变化的假设，前提是IMF由Jeans不稳定性主导。