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

I. A. Bonnell, Richard B. Larson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、初期質量関数（IMF）が、高密度な星形成領域における重力的断片化、乱流、熱力学的物理現象によって生じることを提案している。低質量星および亜恒星天体は断片化と撃出によって形成され、高質量星は集団的環境における競争的吸着によって生成される。数値シミュレーションの結果、これらのプロセスが併合して特徴的な星の質量ピークとサルペーターに類似した高質量領域の傾きを生じることを示している。

ABSTRACT

We review recent advances in our understanding of the origin of the initial mass function (IMF). We emphasize the use of numerical simulations to investigate how each physical process involved in star formation affects the resulting IMF. We stress that it is insufficient to just reproduce the IMF, but that any successful model needs to account for the many observed properties of star forming regions including clustering, mass segregation and binarity. Fragmentation involving the interplay of gravity, turbulence, and thermal effects is probably responsible for setting the characteristic stellar mass. Low-mass stars and brown dwarfs can form through the fragmentation of dense filaments and disks, possibly followed by early ejection from these dense environments which truncates their growth in mass. Higher-mass stars and the Salpeter-like slope of the IMF are most likely formed through continued accretion in a clustered environment. The effects of feedback and magnetic fields on the origin of the IMF are still largely unclear. Lastly, we discuss a number of outstanding problems that need to be addressed in order to develop a complete theory for the origin of the IMF.

研究の動機と目的

• 初期質量関数（IMF）の背後にある物理的メカニズム、特に1太陽質量付近の特徴的な星の質量の形成を理解すること。
• 重力的断片化、乱流、熱力学的物理、吸着がどのようにIMFを共同で形作るかを特定すること。
• 数値シミュレーションがIMFに加え、集団的形成、質量分離、連星系といった星形成領域で観測される二次的特徴を再現できるかどうかを評価すること。
• 競争的吸着とディスク吸着が高質量星の形成および高質量IMFの傾きをどのように決定するかを同定すること。
• フィードバックと磁場の影響がIMF形成に与える影響を評価すること。ただし、これらは現在のところ不確実性が残っている。

提案手法

• 重力、乱流、熱的圧力、放射フィードバックを含む星形成プロセスをモデル化するための数値シミュレーションの使用。
• 低質量星および亜恒星天体の形成を研究するため、高密度なフィラメントおよびディスクにおける断片化のシミュレーション。
• 集団的環境における競争的吸着のモデル化を通じて、高質量星の形成を説明すること。
• 放射圧を克服するため、放射ビーミング、ディスク吸着、レイリー＝ターレー不安定性を組み込むこと。
• シミュレートされたIMFと観測されたIMF（例：Kroupa、Chabrier）および質量分離や連星系といった二次的特徴を比較すること。
• Vela Dの雲のような領域からの観測的制約を用いて、IMFの環境依存性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力、乱流、熱的効果、フィードバックのうち、どの物理的プロセスがIMFの形状を最も強く決定するか？
• RQ2 高密度なフィラメントおよびディスクにおける断片化は、低質量星および亜恒星天体の形成にどのように寄与し、質量成長をどのように制限するか？
• RQ3 集団的環境における競争的吸着は、IMFの高質量領域とそのサルペーターに類似した傾きをどの程度説明できるか？
• RQ4 磁場およびフィードバック機構はIMFの形成にどのような役割を果たし、なぜそれらの影響はまだ十分に理解されていないのか？
• RQ5 IMFはクラスタ環境（例：クラスタ質量や星の数）に依存するのか？そして、これは観測的に検証可能か？

主な発見

• 1太陽質量付近の特徴的な星の質量は、断片化点における重力的断片化と熱力学的物理の共同作用によって生じる。
• 低質量星および亜恒星天体は、高密度なフィラメントおよびディスクにおける断片化に続いて、早期の撃出が起こることで形成され、これにより吸着が遮断され、質量成長が制限される。
• 高質量星およびIMFのサルペーターに類似した傾きは、密度が高く集団的な環境における継続的な競争的吸着によって主に形成される。
• 数値シミュレーションの結果、IMFは単に断片化によって決定されるのではなく、吸着や環境的集団性といった複数のプロセスの相互作用に依存することが示された。
• Vela Dの雲からの観測的証拠は、IMFに環境依存性が存在する可能性を示唆しており、小規模なNのクラスタでは高質量星の欠落が見られる。
• フィードバックおよび磁場の影響は、IMF形成において依然として十分に理解されておらず、現在のモデルではそれらの定量的影響について明確な合意が得られていない。