[论文解读] The Odd Meanderings of the IMF Across Cosmic Time

Romeel Davé|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2010

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文提出恒星初始质量函数（IMF）随宇宙时空中变化，在 z ≈ 2 时变得更为顶部加厚，并在 z ≈ 4–5 时恢复为标准形式，以调和观测到的恒星形成率–星族质量（SFR–M*）演化与分层星系形成模型之间的差异。非单调的 IMF 演化——在 z ≈ 2 达到峰值——与隐匿恒星形成所占宇宙比例的演化趋势相吻合，暗示可能存在物理关联。

ABSTRACT

It is difficult to reconcile the observed evolution of the star formation rate versus stellar mass (SFR-M*) relation with expectations from current hierarchical galaxy formation models. The observed SFR-M* relation shows a rapid rise in SFR(M*) from z=0-2, and then a surprisingly lack of amplitude evolution out to z~6+. Hierarchical models of galaxy formation match this trend qualitatively but not quantitatively, with a maximum discrepancy of ~x3 in SFR at z~2. One explanation, albeit radical, is that the IMF becomes modestly weighted towards massive stars out to z~2, and then evolves back towards its present-day form by z~4 or so. We observe that this redshift trend mimics that of the cosmic fraction of obscured star formation, perhaps hinting at a physical connection. Such IMF evolution would concurrently go towards explaining persistent discrepancies between integrated measures of star formation and present-day stellar mass or cosmic colors.

研究动机与目标

• 调和观测到的 SFR–星族质量（SFR–M*）演化与分层星系形成模型预测之间的长期不匹配。
• 检验时变 IMF 是否能够调和宇宙时空中观测到的恒星形成率与星族质量增长之间的关系。
• 探讨在 z ≈ 0–7 范围内观测到的 SFR–M* 关系演化是否暗示 IMF 变化，特别是 z ≈ 2 时顶部加厚的峰值。
• 评估 IMF 变化是否能够解释综合恒星形成历史与现今星族质量或宇宙颜色测量之间的差异。

提出的方法

• 利用多波段数据（包括赫歇尔望远镜推导的 SFR 修正）分析从 z = 0 到 z ≈ 7 的 SFR–M* 关系演化。
• 将观测到的 SFR–M* 趋势与包含和不包含动量驱动星系外流的宇宙学流体动力学模拟预测进行比较。
• 评估观测到的恒星形成与星族质量密度演化的自洽性，特别是 z ≈ 2 与 z ≈ 0 之间的张力。
• 提出一种红移依赖的 IMF 形式，其中拐点质量演化为 ̂M_IMF = 0.5(1+z)^(3−0.75z) M☉，在 z ≈ 2 时达到峰值。
• 通过将 IMF 的红移趋势与宇宙隐匿恒星形成比例进行比较，评估 IMF 变化的物理解释性。
• 利用河外背景光与被动星系颜色的间接约束，测试不同宇宙时期 IMF 的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 z = 0 到 z ≈ 7 观测到的 SFR–M* 关系演化是否需要时变初始质量函数（IMF）才能与理论模型匹配？
• RQ2 非单调的 IMF 变化——在 z ≈ 2 时顶部加厚达到峰值——是否能够调和观测到的恒星形成率与星族质量增长之间的差异？
• RQ3 鉴于 IMF 演化与宇宙隐匿恒星形成比例具有相似的红移趋势，是否存在物理关联？
• RQ4 IMF 变化在多大程度上可以解决不同红移下 SFR 或 M* 测量中的系统误差，而非测量偏差？
• RQ5 何种形式的 IMF 演化最能调和观测到的 SFR–M* 关系与分层星系形成模型？其观测验证方法是什么？

主要发现

• 观测到的 SFR–M* 关系从 z = 0 到 z ≈ 2 快速上升，随后在 z ≈ 6–7 之间不再出现幅度演化，与模型预测相矛盾。
• 分层星系形成模型在 z ≈ 2 时对恒星形成率的预测比观测值高约三倍，表明存在系统性偏差。
• 一种在 z ≈ 2 时最为顶部加厚、并在 z ≈ 4–5 时恢复为标准形式的时变 IMF，能够调和观测到的 SFR–M* 演化与理论模型。
• 所提出的 IMF 演化形式，其拐点质量演化为 ̂M_IMF = 0.5(1+z)^(3−0.75z) M☉，与观测到的红移趋势一致，并能模拟宇宙隐匿恒星形成比例的演化。
• 即使在修正了尘埃和不完全性影响后，恒星形成历史与星族质量密度演化的差异依然存在，表明存在系统性问题，而变化的 IMF 可能是其解释。
• 尽管 IMF 变化的直接证据仍存在争议，但非单调的 IMF 演化为整合星系演化约束中的持续张力提供了合理解释。