[论文解读] Stellar mass spectrum within massive collapsing clumps I. Influence of the initial conditions

Yueh Ning Lee, P. Hennebelle|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 68被引用 16

一句话总结

本研究通过自适应网格精细化的流体动力学模拟，探究初始密度与湍流水平对大质量坍缩团块中恒星初始质量函数形成的影响。研究发现存在两种碎片化模式：热主导型（dN/dlogM ∝ M⁰）与湍流主导型（dN/dlogM ∝ M⁻³ᐟ⁴），峰值位于约0.2 M⊙，表明湍流驱动的碎片化在高质质量端实现Salpeter指数（-1.35）中起关键作用。

ABSTRACT

We conduct numerical experiments in which we systematically vary the initial density over four orders of magnitude and the turbulent velocity over a factor ten. In a companion paper, we investigate the dependence of this distribution on the gas thermodynamics. We performed a series of hydrodynamical numerical simulations using adaptive mesh refinement, with special attention to numerical convergence. We also adapted an existing analytical model to the case of collapsing clouds by employing a density probability distribution function (PDF) $\propto ρ^{-1.5}$ instead of a lognormal distribution. Simulations and analytical model both show two support regimes, dominated by either thermal energy or turbulence. For the first regime, we infer that $dN/d \log M \propto M^0$, while for the second, we obtain $dN/d \log M \propto M^{-3/4}$. This is valid up to about ten times the mass of the first Larson core, as explained in the companion paper, leading to a peak of the mass spectrum at $\sim 0.2 M_\odot$. From this point, the mass spectrum decreases with decreasing mass. Although the mass spectra we obtain for the most compact clouds qualitatively resemble the observed initial mass function, the distribution exponent is shallower than the expected Salpeter exponent of -1.35. Nonetheless, we observe a possible transition toward a slightly steeper value that is broadly compatible with the Salpeter exponent for masses above a few solar masses. This change in behavior is associated with the change in density PDF, which switches from a power-law to a lognormal distribution. Our results suggest that while gravitationally induced fragmentation could play an important role for low masses, it is likely the turbulently induced fragmentation that leads to the Salpeter exponent.

研究动机与目标

• 理解初始密度与湍流如何影响大质量恒星形成团块中的恒星初始质量函数（IMF）。
• 探究引力或湍流诱导的碎片化在初始质量函数形成过程中何者占主导地位。
• 评估初始条件变化（包括密度涨落与分辨率）对初始质量函数的鲁棒性。
• 确定热主导与湍流主导碎片化模式之间的转变点及其对应的初始质量函数斜率。
• 探讨初始条件弛豫在塑造质量谱及其收敛性中的作用。

提出的方法

• 采用自适应网格细化（AMR）技术进行一系列三维流体动力学模拟，以解析坍缩团块中的多尺度动力学。
• 系统性地改变初始密度（跨越四个数量级）与湍流速度（变化一个数量级），以探测参数空间。
• 采用密度概率密度函数（PDF）∝ ρ⁻¹.⁵，而非对数正态分布，以解析建模坍缩云团。
• 通过在无自引力条件下演化云团至湍流穿越时间的分数之一，实现弛豫的初始条件，以确保密度-速度相关性的一致性。
• 通过数值收敛性测试与不同细化等级（最高至14级）验证结果在不同分辨率下的可靠性。
• 将模拟结果与改进的解析模型进行比较，推导不同物理条件下理论初始质量函数斜率。

实验结果

研究问题

• RQ1 初始密度如何影响坍缩团块中形成的恒星初始质量函数？
• RQ2 湍流在塑造初始质量函数中的作用是什么？其与热支持相比有何差异？
• RQ3 初始条件设置（尤其是弛豫与分辨率）是否影响最终的初始质量函数？
• RQ4 初始质量函数在何时从幂律分布转变为对数正态分布？这一转变的成因是什么？
• RQ5 湍流诱导的碎片化能否自然产生初始质量函数高质质量端的Salpeter斜率（Γ ≈ -1.35）？

主要发现

• 两种截然不同的碎片化模式浮现：热主导型（dN/dlogM ∝ M⁰）与湍流主导型（dN/dlogM ∝ M⁻³ᐟ⁴）。
• 质量谱在约0.2 M⊙处达到峰值，与观测到的初始质量函数峰值一致。
• 对于最稀疏的云团，盘碎片化可形成质量低至~0.01 M⊙的天体，接近第一Larson核心的质量。
• 在低质量区域，初始质量函数斜率比Salpeter指数（-1.35）更平缓，但在数倍太阳质量以上出现向更陡斜率的转变。
• 初始质量函数斜率变陡的转变与密度PDF从幂律（ρ⁻¹.⁵）转变为对数正态分布有关，表明湍流在塑造高质质量初始质量函数中起关键作用。
• 模拟结果表明，初始质量函数对初始密度涨落或弛豫时间不敏感，除非在极端情况下能量损失会抑制低质量恒星形成。