[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出，初始质量函数（IMF）源于致密星形成区中的引力碎片化、湍流和热力学物理过程，其中低质量恒星和棕矮星通过碎片化与喷射形成，而大质量恒星则源于集群环境中的竞争吸积。数值模拟表明，这些过程共同产生了特征性恒星质量峰和类似Salpeter的高质​​量斜率。

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.

研究动机与目标

• 理解初始质量函数（IMF）形成背后的物理机制，特别是约1个太阳质量附近的特征恒星质量。
• 确定引力碎片化、湍流、热力学物理和吸积如何共同塑造IMF。
• 评估数值模拟是否不仅能再现IMF，还能再现星形成区中观测到的次级特征，如聚集、质量分异和双星系统。
• 识别竞争吸积和盘面吸积在形成大质量恒星及设定高质​​量IMF斜率中的作用。
• 评估反馈和磁场对IMF形成的影响，尽管其目前仍存在不确定性。

提出的方法

• 使用数值模拟来建模星形成过程，包括引力、湍流、热压力和辐射反馈。
• 模拟致密纤维和盘面中的碎片化，以研究低质量恒星和棕矮星的形成。
• 在集群环境中建模竞争吸积，以解释大质量恒星的形成。
• 引入辐射束化、盘面吸积和Rayleigh-Taylor不稳定性，以克服大质量恒星形成过程中的辐射压力。
• 将模拟得到的IMF与观测IMF（如Kroupa、Chabrier）及次级特征（如质量分异和双星系统）进行比较。
• 利用Vela D云等区域的观测约束，检验IMF对环境的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力、湍流、热效应或反馈等物理过程，哪一个对IMF的形状影响最为显著？
• RQ2 致密纤维和盘面中的碎片化如何导致低质量恒星和棕矮星的形成，其质量增长又受什么机制限制？
• RQ3 在集群环境中，竞争吸积在多大程度上能解释IMF的高质​​量端及其类似Salpeter的斜率？
• RQ4 磁场和反馈机制在塑造IMF中起什么作用，为何其影响至今仍不甚明了？
• RQ5 IMF是否依赖于星团环境，如星团质量或恒星数量，且能否通过观测加以检验？

主要发现

• 约1个太阳质量附近的特征恒星质量，源于引力碎片化与碎片化点处热力学物理的共同作用。
• 低质量恒星和棕矮星通过致密纤维和盘面中的碎片化形成，随后早期喷射导致吸积终止，从而限制质量增长。
• 大质量恒星及IMF的类似Salpeter的高质​​量斜率，主要源于致密集群环境中持续的竞争吸积。
• 数值模拟表明，IMF并非仅由碎片化决定，而是引力、吸积和环境聚集等多种过程协同作用的结果。
• 来自Vela D云的观测证据表明，IMF可能存在环境依赖性，小N星团中高质​​量恒星数量存在不足。
• 反馈和磁场在IMF形成中的作用仍不明确，当前模型中尚无明确共识其定量影响。