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

Richard B. Larson|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 4被引用数 85

ひとこと要約

この論文は、高密度の星形成領域における階層的クラスタリングとスケールフリーな降着が、星の初期質量関数（IMF）を生じると提案している。ここでは、原始星のサブシステムが連続して合体することで、べき乗則的質量関数が形成される。各合体において、残存ガスの一定割合が最も質量の大きな原始星に降着すると仮定する単純なモデルは、現実的な降着効率のもとで、SalpeterのIMF勾配（x ≈ 1.35）を再現する。

ABSTRACT

The current status of both the observational evidence and the theory of the stellar initial mass function (IMF) is reviewed, with particular attention to the two basic, apparently universal features shown by all observations of nearby stellar systems: (1) a characteristic stellar mass of the order of one solar mass, and (2) a power-law decline of the IMF at large masses similar to the original Salpeter law. Considerable evidence and theoretical work supports the hypothesis that the characteristic stellar mass derives from a characteristic scale of fragmentation in star-forming clouds which is essentially the Jeans scale as calculated from the typical temperature and pressure in molecular clouds. The power-law decline of the IMF at large masses suggests that the most massive stars are built up by scale-free accretion or accumulation processes, and the observed formation of these stars in dense clusters and close multiple systems suggests that interactions between dense prestellar clumps or protostars in forming clusters will play a role. A simple model postulating successive mergers of subsystems in a forming cluster accompanied by the accretion of a fraction of the residual gas by the most massive protostar during each merger predicts an upper IMF of power-law form and reproduces the Salpeter law with a plausible assumed accretion efficiency.

研究の動機と目的

• 普遍的な星の初期質量関数（IMF）の起源を説明すること、特にその特徴的な点：約1太陽質量のピークと高質量域におけるべき乗則的減少を説明すること。
• 近隣の星形成領域における観測されたIMFの普遍性が、星形成雲内の物理的プロセスによって説明可能かどうかを調査すること。
• 動的相互作用と降着が、特に高質量星の上部IMFをどのように形成するかを明らかにすること。
• クラスタ形成過程におけるスケールフリーな降着プロセスが、観測されたべき乗則的IMF勾配を自然に生じるかどうかを検証すること。
• 固定された降着効率を仮定した階層的合体モデルが、Salpeter則を再現するのに妥当かどうかを評価すること。

提案手法

• 原始星がサブシステムを形成し、クラスタ形成中に逐次的に合体する階層的クラスタリングモデルを提唱する。
• 各合体において、残存ガスの一定割合が、システム内での最も質量の大きな原始星に降着すると仮定する。
• 数学的定式化では、最も質量の大きな星の質量がクラスタ質量のべき乗として増加し、指数n = log(f)/log(g) となる。ここでfは質量増加係数、gは合体質量比である。
• IMF勾配x = 1/nを導出し、f = 5/3、g = 2（等質量合体）の場合にx ≈ 1.36が得られることを示す。
• 降着割合（1/10から1/4）を変化させた場合のロバストネスをテストし、IMF勾配はx = 1.18からx = 1.71の範囲に収まる。
• 非等質量合体（例：質量比3:1）を検討し、x ≈ 1.44が得られ、観測結果と整合的であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Salpeter則が示す高質量域における普遍的なべき乗則的減少を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 分子雲内の破壊物理学の観点から、約1太陽質量の特徴的な星の質量はどのように説明できるか？
• RQ3 高密度クラスタでの高質量星の形成は、階層的合体と降着プロセスによって説明可能か？
• RQ4 観測されたIMF勾配x ≈ 1.35を再現するにはどの程度の降着効率が必要か？
• RQ5 観測されたIMFの普遍性は、クラスタ形成過程におけるスケールフリーな降着モデルと整合的か？

主な発見

• 等質量系において、各合体で残存ガスの1/6が降着されると、SalpeterのIMF勾配（x ≈ 1.35）が再現される（f = 5/3、g = 2）。
• 降着効率を1/10から1/4の範囲で変化させても、IMF勾配はx = 1.18からx = 1.71の範囲に収まり、観測の不確実性と整合的である。
• 非等質量合体に対してもモデルはロバストであり、質量比3:1の場合にはx ≈ 1.44が得られ、観測範囲内に収まる。
• 約1太陽質量の特徴的な星の質量は、典型的な分子雲条件における Jeans 関数スケールによって妥当に説明可能である。
• 高質量域におけるべき乗則的減少は、Jeans質量を超える新しい質量スケールに依存しないスケールフリーな降着プロセスによって自然に説明できる。
• このモデルは、高質量星形成がクラスタダイナミクスと本質的に関連しており、相互作用と合体が質量増加の主要因であると示唆する。