[论文解读] 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 85

一句话总结

本文提出，恒星初始质量函数（IMF）源于致密恒星形成区内的分层聚集与无标度吸积，其中原恒星亚系统连续合并导致幂律质量函数。一个假设每次合并时最 massive 原恒星吸积残余气体恒定比例的简单模型，可重现 Salpeter IMF 倾斜度（x ≈ 1.35），且吸积效率合理。

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.

研究动机与目标

• 解释普遍恒星初始质量函数（IMF）的起源，特别是其特征：在约1个太阳质量处出现峰值，并在高质​​量端呈现幂律下降。
• 研究邻近恒星系统中观测到的 IMF 普遍性是否可由恒星形成云中的物理过程解释。
• 探讨动力学相互作用与吸积在塑造上部 IMF 中的作用，特别是对大质量恒星而言。
• 检验在星团形成过程中，无标度吸积过程是否能自然产生观测到的幂律 IMF 倾斜度。
• 评估具有固定吸积效率的分层合并模型在重现 Salpeter 定律方面的合理性。

提出的方法

• 提出一种分层聚集模型，其中原恒星在亚系统中形成，并在星团形成过程中依次合并。
• 假设在每次合并过程中，剩余气体中恒定比例被系统中最 massive 的原恒星吸积。
• 采用数学公式，其中最 massive 恒星的质量随星团质量的幂次增长，指数为 n = log(f)/log(g)，其中 f 为质量增长因子，g 为合并质量比。
• 推导出 IMF 倾斜度 x = 1/n，表明当 f = 5/3 且 g = 2（等质量合并）时，可得 x ≈ 1.36。
• 通过改变吸积比例（1/10 至 1/4）测试鲁棒性，得到的 IMF 倾斜度范围为 x = 1.18 至 x = 1.71。
• 考虑非等质量合并（例如质量比 3:1），表明 x ≈ 1.44 仍与观测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理机制可解释 IMF 在高质​​量端的普遍幂律下降，如 Salpeter 定律所述？
• RQ2 在分子云的碎裂物理中，如何解释约1个太阳质量的特征恒星质量？
• RQ3 能否通过分层合并与吸积过程解释致密星团中大质量恒星的形成？
• RQ4 需要多高的吸积效率才能重现观测到的 IMF 倾斜度 x ≈ 1.35？
• RQ5 观测到的 IMF 普遍性是否与星团形成过程中的无标度吸积模型一致？

主要发现

• 当等质量系统中每次合并吸积剩余气体的 1/6 时（f = 5/3，g = 2），该模型可重现 Salpeter IMF 倾斜度（x ≈ 1.35）。
• 在吸积效率范围为 1/10 至 1/4 时，IMF 倾斜度范围为 x = 1.18 至 x = 1.71，与观测不确定性一致。
• 该模型在非等质量合并下仍具鲁棒性，质量比为 3:1 时，x ≈ 1.44，仍在观测范围内。
• 约1个太阳质量的特征恒星质量在典型分子云条件下，可合理地由 Jeans 质量尺度解释。
• 高质​​量端的幂律下降自然由不依赖于 Jeans 质量之外新质量尺度的无标度吸积过程解释。
• 该模型表明，大质量恒星形成本质上与星团动力学相关，相互作用与合并过程在质量增长中起关键作用。