В астрономии начальная функция масс ( НФМ ) — это эмпирическая функция, которая описывает начальное распределение масс для популяции звезд во время звездообразования . [1] НФМ не только описывает формирование и эволюцию отдельных звезд, она также служит важным звеном, описывающим формирование и эволюцию галактик. [1]
IMF часто задается как функция плотности вероятности (PDF), которая описывает вероятность звезды, имеющей определенную массу во время ее формирования. [2] Она отличается от современной функции массы (PDMF), которая описывает текущее распределение масс звезд, таких как красные гиганты, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, после некоторого времени эволюции вдали от звезд главной последовательности и после определенной потери массы. [2] [3] Поскольку для расчета IMF недостаточно молодых скоплений звезд, вместо этого используется PDMF, а результаты экстраполируются обратно в IMF. [3] IMF и PDMF могут быть связаны через «функцию звездного создания». [2] Функция звездного создания определяется как количество звезд на единицу объема пространства в диапазоне масс и временном интервале. В случае, если все звезды главной последовательности имеют большую продолжительность жизни, чем галактика, IMF и PDMF эквивалентны. Аналогично, IMF и PDMF эквивалентны в коричневых карликах из-за их неограниченной продолжительности жизни. [2]
Свойства и эволюция звезды тесно связаны с ее массой, поэтому IMF является важным диагностическим инструментом для астрономов, изучающих большое количество звезд. Например, начальная масса звезды является основным фактором, определяющим ее цвет , светимость , радиус, спектр излучения и количество материалов и энергии, которые она излучает в межзвездное пространство в течение своей жизни. [1] При низких массах IMF устанавливает бюджет массы Галактики Млечный Путь и количество образующихся субзвездных объектов. При промежуточных массах IMF контролирует химическое обогащение межзвездной среды . При высоких массах IMF устанавливает количество сверхновых с коллапсом ядра , которые происходят, и, следовательно, обратную связь по кинетической энергии.
IMF относительно инвариантно от одной группы звезд к другой, хотя некоторые наблюдения показывают, что IMF отличается в разных средах [4] [5] [6] и потенциально существенно отличается в ранних галактиках. [7]
Разработка
Массу звезды можно определить напрямую только путем применения третьего закона Кеплера к двойной звездной системе. Однако количество двойных систем, которые можно наблюдать напрямую, невелико, поэтому недостаточно образцов для оценки начальной функции масс. Поэтому функция звездной светимости используется для вывода функции масс (современной функции масс , PDMF) путем применения соотношения масса-светимость . [2] Функция светимости требует точного определения расстояний, и наиболее простым способом является измерение звездного параллакса в пределах 20 парсек от Земли. Хотя короткие расстояния дают меньшее количество образцов с большей неопределенностью расстояний для звезд со слабыми звездными величинами (со звездной величиной > 12 в визуальном диапазоне), это уменьшает ошибку расстояний для близких звезд и позволяет точно определять двойные звездные системы. [2] Поскольку звездная величина меняется с ее возрастом, определение соотношения масса-светимость также должно учитывать ее возраст. Для звезд с массой более 0,7 M ☉ требуется более 10 миллиардов лет, чтобы их величина существенно увеличилась. Для звезд с малой массой, с массой менее 0,13 M ☉ , требуется 5 × 10 8 лет, чтобы достичь звезд главной последовательности. [2]
МФМ часто описывается в виде ряда степенных законов , где (иногда также представлено как ), число звезд с массами в диапазоне до в пределах указанного объема пространства, пропорционально , где — безразмерный показатель степени.
Эдвин Э. Солпитер был первым астрофизиком, который попытался количественно оценить IMF, применив степенной закон к своим уравнениям. [9] Его работа основана на звездах, подобных Солнцу, которые можно легко наблюдать с большой точностью. [2] Солпитер определил функцию массы как количество звезд в объеме пространства, наблюдаемом в данный момент времени в соответствии с логарифмическим интервалом массы. [2] Его работа позволила включить в уравнение большое количество теоретических параметров, сводя все эти параметры к показателю . [1] IMF Солпитера определяется как
, где — константа, относящаяся к локальной плотности звезд.
Миллер–Скало (1979)
Гленн Э. Миллер и Джон М. Скало расширили работу Солпитера, предположив, что МФМ «сплющивается» ( ), когда массы звезд падают ниже 1 M ☉ . [10]
Крупа (2002)
Павел Крупа сохранил диапазон 0,5–1,0 M ☉ , но ввел диапазон 0,08–0,5 M ☉ и ниже 0,08 M ☉ . Выше 1 M ☉ , исправление неразрешенных двойных звезд также добавляет четвертый домен с . [8]
Шабрие (2003)
Шабрие дал следующее выражение для плотности отдельных звезд в галактическом диске в единицах пк −3 : [2] Это выражение является логнормальным , что означает, что логарифм массы следует гауссовому распределению до 1 M ☉ .
Для звездных систем (а именно двойных) он дал:
Склон
Начальная функция масс обычно изображается в логарифмическом масштабе log( N ) против log( m ). Такие графики дают приблизительно прямые линии с наклоном Γ, равным 1– α . Поэтому Γ часто называют наклоном начальной функции масс. Современная функция масс для одновозрастного образования имеет тот же наклон, за исключением того, что она скатывается при более высоких массах, которые эволюционировали вдали от главной последовательности. [11]
Неопределенности
Существуют большие неопределенности относительно субзвездной области . В частности, классическое предположение о едином IMF, охватывающем весь субзвездный и звездный диапазон масс, подвергается сомнению в пользу двухкомпонентного IMF для учета возможных различных режимов формирования субзвездных объектов — один IMF, охватывающий коричневые карлики и звезды с очень низкой массой, и другой, охватывающий от коричневых карликов с более высокой массой до самых массивных звезд. Это приводит к области перекрытия примерно между 0,05–0,2 M ☉ , где оба режима формирования могут учитывать тела в этом диапазоне масс. [12]
Вариация
Возможные изменения ММП влияют на нашу интерпретацию сигналов галактик и оценку истории формирования космических звезд [13], поэтому их важно учитывать.
Теоретически IMF должно меняться в зависимости от различных условий звездообразования. Более высокая температура окружающей среды увеличивает массу коллапсирующих газовых облаков ( масса Джинса ); более низкая металличность газа снижает давление излучения , таким образом, облегчая аккрецию газа, и то и другое приводит к образованию более массивных звезд в звездном скоплении. IMF в масштабе галактики может отличаться от IMF в масштабе звездного скопления и может систематически меняться с историей звездообразования в галактике. [14] [15] [16] [17]
Измерения локальной вселенной, где можно разрешить отдельные звезды, согласуются с инвариантным IMF [18] [19] [20] [16] [21], но заключение страдает от большой неопределенности измерений из-за небольшого числа массивных звезд и трудностей в различении двойных систем от отдельных звезд. Таким образом, эффект изменения IMF недостаточно заметен, чтобы его можно было наблюдать в локальной вселенной. Однако недавнее фотометрическое исследование в космическом времени действительно предполагает потенциально систематическое изменение IMF при высоком красном смещении. [22]
Системы, сформированные в гораздо более ранние времена или дальше от галактического соседства, где активность звездообразования может быть в сотни или даже тысячи раз сильнее, чем в нынешнем Млечном Пути, могут дать лучшее понимание. Как для звездных скоплений [23] [24] [25] , так и для галактик [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] постоянно сообщалось, что, по-видимому, существует систематическое изменение IMF. Однако измерения менее прямые. Для звездных скоплений IMF может меняться со временем из-за сложной динамической эволюции. [a]
Происхождение звездного МВФ
Недавние исследования показали, что нитевидные структуры в молекулярных облаках играют решающую роль в начальных условиях звездообразования и происхождении звездного IMF. Наблюдения Гершеля за гигантским молекулярным облаком в Калифорнии показывают, что как функция масс дозвездного ядра (CMF), так и функция масс линий волокон (FLMF) следуют степенному распределению на конце с высокой массой, что согласуется с степенным законом IMF Солпитера. В частности, CMF следует для масс, больших, чем , а FLMF следует для масс линий волокон, больших, чем . Недавние исследования показывают, что глобальный дозвездный CMF в молекулярных облаках является результатом интеграции CMF, генерируемых отдельными термически сверхкритическими нитями, что указывает на тесную связь между FLMF и CMF/IMF, подтверждая идею о том, что нитевидные структуры являются критическим эволюционным шагом в установлении функции масс, подобной функции масс Солпитера. [35]
Ссылки
^ abcd Scalo, JM (1986). Основы космической физики (PDF) . Соединенное Королевство: Gordon and Breach, Science Publishers, Inc. стр. 3. Получено 28 февраля 2023 г.
^ abcdefghijk Шабрие, Жиль (2003). «Галактическая звездная и субзвездная начальная функция масс». Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 115 (809): 763–795. arXiv : astro-ph/0304382 . Бибкод : 2003PASP..115..763C. дои : 10.1086/376392. S2CID 4676258.
^ ab "Astronomy 112: Physics of Stars -n Class 19 Notes: The Stellar Life Cycle" (PDF) . Университет Карлифорнии, Санта-Крус. Архивировано из оригинала (PDF) 6 апреля 2023 г. . Получено 23 декабря 2023 г. .
^ Конрой, Чарли; ван Доккум, Питер Г. (2012). «Звездная начальная функция масс в галактиках раннего типа по спектроскопии линий поглощения. II. Результаты». The Astrophysical Journal . 760 (1): 71. arXiv : 1205.6473 . Bibcode :2012ApJ...760...71C. doi :10.1088/0004-637X/760/1/71. S2CID 119109509.
^ Kalirai, Jason S.; Anderson, Jay; Dotter, Aaron; Richer, Harvey B.; Fahlman, Gregory G.; Hansen, Brad MS; Hurley, Jarrod; Reid, I. Neill; Rich, R. Michael; Shara, Michael M. (2013). "Сверхглубокие изображения Малого Магелланова Облака с помощью космического телескопа Хаббл: начальная функция масс звезд с M < 1 Msun". The Astrophysical Journal . 763 (2): 110. arXiv : 1212.1159 . Bibcode :2013ApJ...763..110K. doi :10.1088/0004-637X/763/2/110. S2CID 54724031.
^ Geha, Marla ; Brown, Thomas M.; Tumlinson, Jason; Kalirai, Jason S.; Simon, Joshua D.; Kirby, Evan N.; VandenBerg, Don A.; Muñoz, Ricardo R.; Avila, Roberto J.; Guhathakurta, Puragra; Ferguson, Henry C. (2013). "The Stellar Initial Mass Function of Ultra-faint Dwarf Galaxies: Evidence for IMF Variations with Galactic Environment". The Astrophysical Journal . 771 (1): 29. arXiv : 1304.7769 . Bibcode :2013ApJ...771...29G. doi :10.1088/0004-637X/771/1/29. S2CID 119290783.
^ Sneppen, Albert; Steinhardt, Charles L.; Hensley, Hagan; Jermyn, Adam S.; Mostafa, Basel; Weaver, John R. (2022-05-01). "Implications of a Temperature-dependent Initial Mass Function. I. Photometric Template Fitting". The Astrophysical Journal . 931 (1): 57. arXiv : 2205.11536 . Bibcode : 2022ApJ...931...57S. doi : 10.3847/1538-4357/ac695e . ISSN 0004-637X. S2CID 249017733.
^ ab Kroupa, Pavel (2002). «Начальная функция масс звезд: доказательства однородности в переменных системах». Science . 295 (5552): 82–91. arXiv : astro-ph/0201098 . Bibcode :2002Sci...295...82K. doi :10.1126/science.1067524. PMID 11778039. S2CID 15276163.
^ Миллер, Гленн; Скало, Джон (1979). «Начальная функция масс и скорость рождения звезд в окрестностях Солнца». Серия приложений к Astrophysical Journal . 41 : 513. Bibcode : 1979ApJS...41..513M. doi : 10.1086/190629.
^ Мэсси, Филипп (1998). "Начальная функция масс массивных звезд в местной группе". Звездная начальная функция масс (38-я конференция Херстмонсо) . 142 : 17. Bibcode : 1998ASPC..142...17M.
^ Kroupa, Pavel; et al. (2013). "Звездное и субзвездное IMF простых и составных популяций". Звездные системы и структура галактик, т. V. arXiv : 1112.3340 . Bibcode : 2013pss5.book..115K. doi : 10.1007/978-94-007-5612-0_4.
^ Уилкинс, Стивен М.; Трентам, Нил; Хопкинс, Эндрю М. (апрель 2008 г.). «Эволюция звездной массы и подразумеваемая история звездообразования». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 385 (2): 687–694. arXiv : 0801.1594 . Bibcode : 2008MNRAS.385..687W. doi : 10.1111/j.1365-2966.2008.12885.x . ISSN 0035-8711.
^ Kroupa, Pavel; Weidner, Carsten (декабрь 2003 г.). «Galactic-Field Initial Mass Functions of Massive Stars» (Галактическое поле начальных массовых функций массивных звезд). The Astrophysical Journal . 598 (2): 1076–1078. arXiv : astro-ph/0308356 . Bibcode : 2003ApJ...598.1076K. doi : 10.1086/379105 . ISSN 0004-637X.
^ Weidner, C.; Kroupa, P.; Larsen, SS (июнь 2004 г.). «Влияние темпов формирования звездных скоплений на внегалактические скорости звездообразования». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 350 (4): 1503–1510. arXiv : astro-ph/0402631 . Bibcode : 2004MNRAS.350.1503W. doi : 10.1111/j.1365-2966.2004.07758.x . ISSN 0035-8711.
^ ab Kroupa, Pavel; Weidner, Carsten; Pflamm-Altenburg, Jan; Thies, Ingo; Dabringhausen, Jörg; Marks, Michael; Maschberger, Thomas (2013), Oswalt, Terry D.; Gilmore, Gerard (ред.), "The Stellar and Sub-Stellar Initial Mass Function of Simple and Composite Populations", Planets, Stars and Stellar Systems: Volume 5: Galactic Structure and Stellar Populations , Dordrecht: Springer Netherlands, стр. 115–242, arXiv : 1112.3340 , Bibcode : 2013pss5.book..115K, doi : 10.1007/978-94-007-5612-0_4, ISBN978-94-007-5612-0, получено 2023-11-02
^ Jeřábková, T.; Zonoozi, A. Hasani; Kroupa, P.; Beccari, G.; Yan, Z.; Vazdekis, A.; Zhang, Z.-Y. (2018-12-01). "Влияние металличности и скорости звездообразования на зависящую от времени начальную функцию звездной массы в масштабах галактики". Astronomy & Astrophysics . 620 : A39. arXiv : 1809.04603 . Bibcode :2018A&A...620A..39J. doi : 10.1051/0004-6361/201833055 . ISSN 0004-6361.
^ Kroupa, P. (2001-04-01). «О вариации начальной функции масс». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 322 (2): 231–246. arXiv : astro-ph/0009005 . Bibcode : 2001MNRAS.322..231K. doi : 10.1046/j.1365-8711.2001.04022.x . ISSN 0035-8711.
^ Крупа, Павел (2002-01-04). «Начальная функция масс звезд: доказательства однородности в переменных системах». Science . 295 (5552): 82–91. arXiv : astro-ph/0201098 . Bibcode :2002Sci...295...82K. doi :10.1126/science.1067524. ISSN 0036-8075. PMID 11778039.
^ Бастиан, Нейт; Кови, Кевин Р.; Мейер, Майкл Р. (2010-08-01). «Универсальная начальная функция массы звезд? Критический взгляд на вариации». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 48 (1): 339–389. arXiv : 1001.2965 . Bibcode : 2010ARA&A..48..339B. doi : 10.1146/annurev-astro-082708-101642. ISSN 0066-4146.
^ Хопкинс, AM (январь 2018 г.). «Обзор Доуса 8: Измерение начальной функции звездной массы». Публикации Астрономического общества Австралии . 35 : e039. arXiv : 1807.09949 . Bibcode : 2018PASA...35...39H. doi : 10.1017/pasa.2018.29. ISSN 1323-3580.
^ Sneppen, Albert; Steinhardt, Charles L.; Hensley, Hagan; Jermyn, Adam S.; Mostafa, Basel; Weaver, John R. (2022-05-01). "Implications of a Temperature-dependent Initial Mass Function. I. Photometric Template Fitting". The Astrophysical Journal . 931 (1): 57. arXiv : 2205.11536 . Bibcode : 2022ApJ...931...57S. doi : 10.3847/1538-4357/ac695e . ISSN 0004-637X. S2CID 249017733.
^ Dabringhausen, J.; Kroupa, P.; Baumgardt, H. (2009-04-11). "A top-heavy stellar initial mass function in starbursts as an Explain for the high mass-to-light ratio of ultra-compact dwarf galaxys". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 394 (3): 1529–1543. arXiv : 0901.0915 . Bibcode : 2009MNRAS.394.1529D. doi : 10.1111/j.1365-2966.2009.14425.x .
^ Дабрингхаузен, Йорг; Крупа, Павел; Пфламм-Альтенбург, Ян; Миске, Штеффен (2012-03-01). "Low-Mass X-Ray Binaries Indicate a Top-Heavy Stellar Initial Mass Function in Ultracompact Dwarf Galaxies". The Astrophysical Journal . 747 (1): 72. arXiv : 1110.2779 . Bibcode :2012ApJ...747...72D. doi : 10.1088/0004-637X/747/1/72 . ISSN 0004-637X.
^ Маркс, Майкл; Крупа, Павел; Дабрингхаузен, Йорг; Павловски, Марсель С. (2012-05-21). «Доказательства наличия функций начальной массы звезд с большим верхним слоем при увеличении плотности и уменьшении металличности: IMF с большим верхним слоем в ШС». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 422 (3): 2246–2254. arXiv : 1202.4755 . doi : 10.1111/j.1365-2966.2012.20767.x .
^ Ли, Джанис К.; Джил де Пас, Армандо; Тремонти, Кристи; Кенникатт, Роберт К.; Салим, Самир; Ботвелл, Мэтью; Кальцетти, Даниэла; Далкантон, Джулианна; Дейл, Дэниел; Энгельбрахт, Чад; Хосе Г. Фунес, С. Дж.; Джонсон, Бенджамин; Сакаи, Шоко; Скиллман, Эван; ван Зее, Лизе (2009-11-20). "СРАВНЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ЗВЕЗД Hα И UV В МЕСТНОМ ОБЪЕМЕ: СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ РАСХОЖДЕНИЯ ДЛЯ КАРЛИКОВЫХ ГАЛАКТИК". The Astrophysical Journal . 706 (1): 599–613. arXiv : 0909.5205 . Bibcode :2009ApJ...706..599L. дои : 10.1088/0004-637X/706/1/599 . ISSN 0004-637X.
^ Gunawardhana, MLP; Hopkins, AM; Sharp, RG; Brough, S.; Taylor, E.; Bland-Hawthorn, J.; Maraston, C.; Tuffs, RJ; Popescu, CC; Wijesinghe, D.; Jones, DH; Croom, S.; Sadler, E.; Wilkins, S.; Driver, SP (2011-08-01). "Galaxy and Mass Assembly (GAMA): the star formation rate dependency of the stellar initial mass function: IMF-SFR relation". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 415 (2): 1647–1662. doi : 10.1111/j.1365-2966.2011.18800.x . hdl : 20.500.11850/38507 .
^ Феррерас, Игнасио; Барбера, Франческо Ла; Роза, Игнасио Г. де ла; Ваздекис, Александр; Карвальо, Рейнальдо Р. де; Фалькон-Баррозу, Хесус; Риккарделли, Елена (11 февраля 2013 г.). «Систематическое изменение начальной функции массы звезды с дисперсией скоростей в галактиках ранних типов». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма . 429 (1): Л15–Л19. arXiv : 1206.1594 . дои : 10.1093/mnrasl/sls014 . ISSN 1745-3933.
^ Рензини, Альвио; Андреон, Стефано (11 ноября 2014 г.). «Химическая эволюция в масштабах скоплений галактик: загадка?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 444 (4): 3581–3591. arXiv : 1409.0307 . дои : 10.1093/mnras/stu1689 . ISSN 1365-2966.
^ Urban, O.; Werner, N.; Allen, SW; Simionescu, A.; Mantz, A. (октябрь 2017 г.). «Однородная металличность на окраинах массивных близлежащих скоплений галактик». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 470 (4): 4583–4599. arXiv : 1706.01567 . doi : 10.1093/mnras/stx1542 . ISSN 0035-8711.
^ Де Люсия, Габриэлла; Фонтанот, Фабио; Хиршманн, Микаэла (2017-03-21). «Обратная связь AGN и происхождение усиления α в галактиках раннего типа — выводы из модели GAEA». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters . 466 (1): L88–L92. arXiv : 1611.04597 . doi : 10.1093/mnrasl/slw242 . ISSN 1745-3925.
^ Окамото, Такаши; Нагасима, Масахиро; Лейси, Седрик Г.; Френк, Карлос С. (2017-02-01). «Обогащение металлов пассивных галактик в космологических симуляциях формирования галактик». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 464 (4): 4866–4874. doi : 10.1093/mnras/stw2729 . hdl : 2115/65505 . ISSN 0035-8711.
^ Романо, Д.; Маттеуччи, Ф.; Чжан, З.-Й.; Пападопулос, П. П.; Айвисон, Р. Дж. (сентябрь 2017 г.). «Эволюция изотопов CNO: новый взгляд на историю формирования космических звезд и звездный IMF в эпоху ALMA». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 470 (1): 401–415. arXiv : 1704.06701 . doi : 10.1093/mnras/stx1197 . ISSN 0035-8711.
^ Чжан, Чжи-Ю; Романо, Д.; Айвисон, Р. Дж.; Пападопулос, Паделис П.; Маттеуччи, Ф. (июнь 2018 г.). «Звездные популяции, в которых доминируют массивные звезды в пылевых галактиках со вспышкой звездообразования на протяжении космического времени». Nature . 558 (7709): 260–263. arXiv : 1806.01280 . Bibcode :2018Natur.558..260Z. doi :10.1038/s41586-018-0196-x. ISSN 1476-4687. PMID 29867162.
^ Чжан, Го-Инь; Андре, Филипп; Меньщиков, Александр; Ли, Цзинь-Цзэн (2024). «Исследование нитевидной природы звездообразования в гигантском молекулярном облаке Калифорнии». Астрономия и астрофизика . 689 : A3. arXiv : 2406.08004 . Bibcode : 2024A&A...689A...3Z. doi : 10.1051/0004-6361/202449853.
Примечания
^ Звезды с разной массой имеют разный возраст, поэтому изменение истории звездообразования приведет к изменению современной функции масс, что имитирует эффект изменения МФМ.
Дальнейшее чтение
Скало, Дж. М. (1986). «Начальная функция масс массивных звезд в галактиках. Эмпирические данные». Яркие звезды и ассоциации в галактиках . 116 : 451. Bibcode : 1986IAUS..116..451S.
Скало, Дж. М. (1986). «Функция начальной массы звезд». Основы космической физики . 11 : 1. Bibcode : 1986FCPh...11....1S.
Kroupa, Pavel (2002). «The Initial Mass Function of Stars: Evidence for Uniformity in Variable Systems». Science (Представленная рукопись). 295 (5552): 82–91. arXiv : astro-ph/0201098 . Bibcode :2002Sci...295...82K. doi :10.1126/science.1067524. PMID 11778039. S2CID 14084249.
Спарк, Линда С .; Галлахер, Джон С. III (5 февраля 2007 г.). Галактики во Вселенной: Введение. Издательство Кембриджского университета. стр. 1–. ISBN 978-1-139-46238-9.
Внешние ссылки
"Павел Крупа (Прага и Бонн): Функция начальной массы звезд: МФМ". YouTube . 8 апреля 2022 г.