[论文解读] The Stellar Initial Mass Function in 2007: A Year for Discovering Variations

Bruce G. Elmegreen|ArXiv.org|Mar 21, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 11

一句话总结

这篇2007年的综述综合了证据，表明恒星初始质量函数（IMF）随宇宙时空中和环境的不同而变化，高红移、高密度或低金属度区域的特征质量更高、斜率更平——这表明气体相过程（如湍流和碎片化）主导了IMF的形成，而恒星反馈和动力学演化则塑造了低质量和高质量极端。IMF似乎在气体相中即已确定，预恒星团块的质量函数与IMF相匹配，暗示其起源于湍流密度结构的普遍机制。

ABSTRACT

The characteristic mass M_c and slope Gamma of the IMF are reviewed for clusters, field regions, galaxies, and regions formed during cosmological times. Local star formation has a somewhat uniform M_c and Gamma. Statistical variations in Gamma are summarized, as are the limitations imposed by these variations. Cosmological star formation appears to have both a higher M_c and a slightly shallower slope at intermediate to high stellar mass. The center of the Milky Way may have a shallow slope too. Field regions have slightly steeper slopes than clusters, but this could be the result of enhanced drift of low mass stars out of clusters and associations. Dwarf galaxies also have steeper slopes. Results from the observation of pre-stellar clumps are reviewed too. Pre-stellar clumps appear to have about the same mass function as stars and are therefore thought to be the main precursors to stars. If this is the case, then the IMF is generally determined by gas-phase processes. Brown dwarf formation also shares many characteristics of star formation, suggesting that they form by similar mechanisms.

研究动机与目标

• 评估不同天体物理环境中恒星初始质量函数（IMF）变化的经验和理论证据。
• 研究IMF是否主要由气体相过程（如湍流和碎片化）决定，还是由后续的恒星尺度过程（如反馈和动力学演化）决定。
• 基于预恒星团块的质量函数与IMF的相似性，评估其在设定IMF中的作用。
• 考察极端环境（如高红移星系、星系核球和矮星系）如何影响IMF的特征质量和斜率。
• 将场区、星团和星系中IMF斜率的观测差异与物理机制（如质量分异和环境反馈）相协调。

提出的方法

• 分析不同环境中的观测IMF斜率（Γ）和特征质量（Mc）：本地星团、场区、星系以及宇宙学恒星形成时期。
• 将预恒星团块的质量函数与恒星IMF进行比较，以推断IMF是否在气体相中即已确定。
• 通过IMF变化的统计分析评估与Salpeter IMF（Γ = 1.35）偏差的显著性，特别是在极端环境中。
• 应用自持引力、磁化且湍流气体中湍流和碎片化的理论模型，以解释观测到的质量函数形状。
• 建模大质量恒星的时变质量损失，以评估尽管可能存在更高质量的原恒星，但IMF在~120–150 M☉处的表观上限。
• 通过将预测与观测到的预恒星核和恒星质量函数比较，评估IMF形成的不同模型（自上而下、自下而上和中断模型）的优劣。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星初始质量函数（IMF）是否在不同星系环境中（如高红移区域、矮星系和星系核球）系统性地变化？
• RQ2 哪些物理机制（如湍流、Jeans质量或反馈）决定了IMF的特征质量（Mc）和斜率（Γ）？
• RQ3 IMF在多大程度上是在气体相中确定的？这一推断基于预恒星团块质量函数与IMF的相似性。
• RQ4 为何场区和矮星系的IMF斜率比星团更陡？这是否由动力学质量分异或本质形成差异所致？
• RQ5 高红移、高金属度或高压力等极端条件如何影响IMF？这对早期星系形成有何启示？

主要发现

• IMF的特征质量（Mc）在多种本地环境中（包括星团、场区和银河系核球）极为一致，Mc ≈ 0.3 M☉，表明其具有普遍的气体相起源。
• 高红移和高密度环境（如银河系核球、早型星系和极端低金属度恒星）表现出更高的Mc和更平的IMF斜率（Γ ≈ 1），表明更高质量恒星的形成比例增加。
• 对预恒星团块的观测显示其质量函数与恒星IMF高度一致，支持IMF主要由气体相过程（如湍流和碎片化）决定的假设。
• 矮星系和低表面亮度区域的IMF系统性更陡（Γ ≈ -1.6），表明密集星团形成模式的贡献减少。
• 场区的IMF比星团更陡，但这可能是由于动力学质量分异所致，即低质量恒星随时间从星团中漂移出去。
• IMF中~120–150 M☉的观测上限可能并不代表真实的最大恒星形成质量，因为大质量原恒星（高达500 M☉）可能形成，但会因强恒星风迅速损失质量，因而无法作为大质量恒星被探测到。