[论文解读] The galaxy-wide IMF - from star clusters to galaxies

C. Weidner, Jan Pflamm-Altenburg+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2010

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文提出了综合星系初始质量函数（IGIMF）理论，该理论通过结合单个星团中的标准初始质量函数（IMF）与嵌入星团质量函数（ECMF），推导出星系尺度的恒星初始质量函数。研究表明，由于星团中大质量恒星的形成具有质量依赖性，IGIMF比标准IMF更陡峭，导致在如星暴等高恒星形成率环境中出现顶重的IMF，这对星系化学演化和恒星残骸种群具有重要意义。

ABSTRACT

Over the past years observations of young and populous star clusters have shown that the stellar initial mass function (IMF) can be conveniently described by a two-part power-law with an exponent alpha_2 = 2.3 for stars more massive than about 0.5 Msol and an exponent of alpha_1 = 1.3 for less massive stars. A consensus has also emerged that most, if not all, stars form in stellar groups and star clusters, and that the mass function of these can be described as a power-law (the embedded cluster mass function, ECMF) with an exponent beta ~2. These two results imply that the integrated galactic IMF (IGIMF) for early-type stars cannot be a Salpeter power-law, but that they must have a steeper exponent. An application to star-burst galaxies shows that the IGIMF can become top-heavy. This has important consequences for the distribution of stellar remnants and for the chemo-dynamical and photometric evolution of galaxies. In this contribution the IGIMF theory is described, and the accompanying contribution by Pflamm-Altenburg, Weidner & Kroupa (this volume) documents the applications of the IGIMF theory to galactic astrophysics.

研究动机与目标

• 通过从成团恒星形成中推导星系尺度的IMF，解决场星IMF与星团IMF之间的差异。
• 解释为何观测到的场星IMF斜率（α ≈ 2.7）比标准Salpeter IMF（α = 2.35）更陡。
• 模拟综合星系IMF（IGIMF）如何随恒星形成率（SFR）变化，特别是在星暴环境中。
• 证明IGIMF能自然再现星系中观测到的质量-金属丰度关系和SFR指标。
• 探讨IGIMF在何种条件下变得顶重，特别是在星暴星系等高SFR区域。

提出的方法

• 将单个星团中的标准两段幂律IMF（m < 0.5 M☉时α₁ = 1.3，m ≥ 0.5 M☉时α₂ = 2.3）相结合。
• 应用m_max–M_ecl关系，其中星团中最极大质量恒星的质量与星团质量成正比，该关系基于观测约束和物理反馈极限推导得出。
• 使用嵌入星团质量函数（ECMF），将其建模为斜率β ≈ 2的幂律，以描述星系中星团质量的分布。
• 对星系中所有星团的IMF进行加权积分，基于其质量函数，计算IGIMF作为全局SFR的函数。
• 采用最大星团质量与全局SFR之间的标度关系，该关系基于对星形成区的观测推导得出。
• 将IGIMF建模为多段幂律，其斜率随SFR变化，并通过SFR指标和金属丰度的观测约束对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何观测到的场星IMF斜率（α ≈ 2.7）比标准Salpeter IMF（α = 2.35）更陡？
• RQ2 综合星系IMF（IGIMF）与单个星团IMF有何不同？其差异由何驱动？
• RQ3 在何种条件下IGIMF会变得顶重？其观测特征是什么？
• RQ4 IGIMF能否自然解释星系中观测到的质量-金属丰度关系？
• RQ5 当通过紫外光度与Hα光度推导恒星形成率时，IGIMF如何影响SFR的推断？

主要发现

• IGIMF比标准IMF更陡，原因在于大质量恒星的形成具有质量依赖性：低质量星团无法形成大质量恒星，导致在整体恒星群体中高质​​量恒星被抑制。
• 观测到的场星IMF斜率α ≈ 2.7可自然地由IGIMF解释，从而解决了与Salpeter斜率长期存在的矛盾。
• 在高SFR环境（如星暴）中，IGIMF变得顶重，1 M☉以上质量区间的斜率可达α_IGIMF ≈ 0.7–1.0，与Davé（2008）、van Dokkum（2008）等人的观测估计一致。
• IGIMF能自然再现星系中观测到的质量-金属丰度关系，如Köppen等（2007）和Recchi等（2009）所展示。
• IGIMF可解释紫外光度与Hα光度推导SFR之间的观测差异，如Pflamm-Altenburg等（2007, 2009）所表明，原因在于这些示踪剂对高质​​量IMF的敏感性不同。
• 当极高SFR下形成极端大质量星团时，由于密集紧凑星团中的物理拥挤效应，IGIMF可能变得顶重，从而改变高质​​量IMF的斜率。