stringtranslate.com

Начальная функция масс

В астрономии начальная функция масс ( IMF ) является эмпирической функцией, которая описывает начальное распределение масс популяции звезд во время звездообразования . [1] ММП не только описывает формирование и эволюцию отдельных звезд, он также служит важным звеном, описывающим формирование и эволюцию галактик. [1]

МВФ часто представляют в виде функции плотности вероятности (PDF), которая описывает вероятность появления звезды, имеющей определенную массу во время ее формирования. [2] Она отличается от современной функции масс (PDMF), которая описывает текущее распределение масс звезд, таких как красные гиганты, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, после некоторого времени эволюции вдали от основной последовательности звезд и после определенной потери массы. [2] [3] Поскольку для расчета ММП недостаточно молодых скоплений звезд, вместо этого используется PDMF, и результаты экстраполируются обратно в ММП. [3] МВФ и PDMF могут быть связаны посредством «функции звездного создания». [2] Функция звездообразования определяется как количество звезд на единицу объема пространства в определенном диапазоне масс и интервале времени. В случае, когда время жизни всех звезд главной последовательности больше, чем у галактики, IMF и PDMF эквивалентны. Точно так же IMF и PDMF эквивалентны у коричневых карликов из-за их неограниченного времени жизни. [2]

Свойства и эволюция звезды тесно связаны с ее массой, поэтому ММП является важным диагностическим инструментом для астрономов, изучающих большое количество звезд. Например, первоначальная масса звезды является основным фактором, определяющим ее цвет , светимость , радиус, спектр излучения, а также количество материалов и энергии, которые она испустила в межзвездное пространство за время своей жизни. [1] При малых массах ММФ устанавливает баланс массы галактики Млечный Путь и количество образующихся субзвездных объектов. При промежуточных массах ММП контролирует химическое обогащение межзвездной среды . При больших массах ММП устанавливает количество происходящих коллапсов ядра сверхновых и, следовательно, обратную связь по кинетической энергии.

ММП относительно инвариантно от одной группы звезд к другой, хотя некоторые наблюдения показывают, что ММП различно в разных средах, [4] [5] [6] и потенциально существенно различается в ранних галактиках. [7]

Разработка

Начальная функция масс. Вертикальная ось на самом деле представляет собой не ξ( m )Δm , а масштабированную версию ξ( m ). Для m > 1  M это ( m / M ) −2,35 .

Массу звезды можно определить непосредственно, только применив третий закон Кеплера к двойной звездной системе. Однако количество двойных систем, которые можно наблюдать напрямую, невелико, поэтому образцов недостаточно для оценки начальной функции масс. Таким образом, функция звездной светимости используется для получения функции массы ( современной функции массы , PDMF) путем применения соотношения масса-светимость . [2] Функция светимости требует точного определения расстояний, и самый простой способ — измерить звездный параллакс в пределах 20 парсеков от Земли. Хотя короткие расстояния дают меньшее количество выборок с большей неопределенностью расстояний для звезд слабых звездных величин (со звездной величиной > 12 в видимом диапазоне), это уменьшает ошибку расстояний для близких звезд и позволяет точно определять двойные звездные системы. [2] Поскольку величина звезды зависит от ее возраста, при определении соотношения массы и светимости следует также учитывать ее возраст. Для звезд с массой выше 0,7  M ☉ требуется более 10 миллиардов лет, чтобы их величина существенно увеличилась. Звездам малой массы с массой менее 0,13  M требуется 5 × 10 8 лет, чтобы достичь звезд главной последовательности. [2]

МВФ часто выражается в виде ряда степенных законов , где (иногда также обозначается как ) количество звезд с массами в пределах заданного объема пространства пропорционально , ​​где - безразмерный показатель степени.

Обычно используемыми формами МВФ являются нарушенный степенной закон Крупы (2001) [8] и логнормальный закон Шабрие (2003). [2]

Солпитер (1955)

Эдвин Э. Солпитер — первый астрофизик, который попытался количественно оценить ММП, применив степенной закон в своих уравнениях. [9] Его работа основана на солнцеподобных звездах, которые можно легко наблюдать с большой точностью. [2] Солпитер определил функцию масс как число звезд в объеме пространства, наблюдаемого одновременно, в логарифмическом интервале масс. [2] Его работа позволила включить в уравнение большое количество теоретических параметров, сводя все эти параметры к показателю степени . [1] МВФ Солпитера – это константа , относящаяся к местной звездной плотности.

Миллер-Скало (1979)

Гленн Э. Миллер и Джон М. Скало расширили работу Солпитера, предположив, что МВФ «сглаживался» ( ), когда звездные массы падали ниже 1  M . [10]

Крупа (2002)

Павел Крупа держал в пределах 0,5–1,0  М , но ввел в пределах 0,08–0,5  М и ниже 0,08  М . Выше 1  M поправка на неразрешенные двойные звезды 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 логарифмически нормальным , что означает, что логарифм массы следует распределению Гаусса до 1  M .

Для звездных систем (а именно двойных) он дал:

Склон

Начальная функция массы обычно изображается в логарифмическом масштабе log( N ) и log( m ). Такие графики дают приблизительно прямые линии с наклоном Γ , равным 1– α . Поэтому Γ часто называют наклоном начальной функции массы. Современная функция масс для одновозрастных образований имеет такой же наклон, за исключением того, что она скатывается к более высоким массам, которые развились вдали от главной последовательности. [11]

Неопределенности

Существуют большие неопределенности относительно субзвездной области . В частности, подвергается сомнению классическое предположение о едином ММП, охватывающем весь диапазон подзвездных и звездных масс, в пользу двухкомпонентного ММП для учета возможных различных режимов формирования субзвездных объектов - одно ММП, охватывающее коричневые карлики и очень низкие звезд с массой, а также от коричневых карликов с большей 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 галактических сигналов и оценку истории образования космических звезд [13], поэтому важно учитывать их.

Теоретически МФМ должен меняться в зависимости от различных условий звездообразования. Более высокая температура окружающей среды увеличивает массу коллапсирующих газовых облаков ( масса Джинса ); более низкая металличность газа снижает радиационное давление , что облегчает аккрецию газа, и то и другое приводит к образованию более массивных звезд в звездном скоплении. Общегалактическое ММП может отличаться от ММП в масштабе звездного скопления и может систематически меняться в зависимости от истории звездообразования галактики. [14] [15] [16] [17]

Измерения локальной Вселенной, в которой могут быть разрешены одиночные звезды, согласуются с инвариантным ММП [18] [19] [20] [16] [21], но этот вывод страдает от большой неопределенности измерений из-за небольшого количества массивных звезд и трудностей. в отличии двойных систем от одиночных звезд. Таким образом, эффект вариации ММП недостаточно заметен, чтобы его можно было наблюдать в локальной вселенной. Однако недавнее фотометрическое исследование космического времени действительно предполагает потенциально систематическое изменение ММП при высоком красном смещении. [22]

Системы, сформировавшиеся гораздо раньше или дальше от галактических окрестностей, 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 быть систематической вариацией МВФ. Однако измерения менее прямые. Для звездных скоплений ММП может меняться со временем из-за сложной динамической эволюции. [а]

Происхождение Звездного МВФ

Недавние исследования показали, что нитевидные структуры в молекулярных облаках играют решающую роль в начальных условиях звездообразования и происхождении звездного ММП. Наблюдения Гершеля за гигантским молекулярным облаком в Калифорнии показывают, что как предзвездная функция масс ядра (CMF), так и функция масс линий волокон (FLMF) подчиняются степенному закону распределения на конце с большой массой, что согласуется со степенным законом IMF Солпитера. В частности, CMF следует для масс, превышающих , а FLMF следует для масс линий нити, превышающих . Недавние исследования показывают, что глобальное предзвездное 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 критически важным эволюционным фактором. шаг в установлении функции масс, подобной Солпитеру [35] .

Рекомендации

  1. ^ abcd Скало, Дж. М. (1986). Основы космической физики (PDF) . Соединенное Королевство: Гордон и Брич, Science Publishers, Inc., с. 3 . Проверено 28 февраля 2023 г.
  2. ^ 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.
  3. ^ ab «Астрономия 112: Физика звезд - n Примечания к классу 19: Жизненный цикл звезд» (PDF) . Университет Калифорнии, Санта-Круз. Архивировано из оригинала (PDF) 6 апреля 2023 года . Проверено 23 декабря 2023 г.
  4. ^ Конрой, Чарли; ван Доккум, Питер Г. (2012). «Начальная функция масс звезд в галактиках ранних типов по данным спектроскопии линий поглощения. II. Результаты». Астрофизический журнал . 760 (1): 71. arXiv : 1205.6473 . Бибкод : 2012ApJ...760...71C. дои : 10.1088/0004-637X/760/1/71. S2CID  119109509.
  5. ^ Калирай, Джейсон С.; Андерсон, Джей; Доттер, Аарон; Ричер, Харви Б.; Фалман, Грегори Г.; Хансен, Брэд М.С.; Херли, Джаррод; Рид, И. Нил; Рич, Р. Майкл; Шара, Майкл М. (2013). «Сверхглубокие изображения Малого Магелланова облака, полученные космическим телескопом Хаббла: начальная функция масс звезд с M <1 Msun». Астрофизический журнал . 763 (2): 110. arXiv : 1212.1159 . Бибкод : 2013ApJ...763..110K. дои : 10.1088/0004-637X/763/2/110. S2CID  54724031.
  6. ^ Геха, Марла ; Браун, Томас М.; Тумлинсон, Джейсон; Калирай, Джейсон С.; Саймон, Джошуа Д.; Кирби, Эван Н.; Ванденберг, Дон А.; Муньос, Рикардо Р.; Авила, Роберто Дж.; Гухатхакурта, Пурагра; Фергюсон, Генри К. (2013). «Звездная начальная функция массы ультратусклых карликовых галактик: свидетельства изменений ММП в зависимости от галактической среды». Астрофизический журнал . 771 (1): 29. arXiv : 1304,7769 . Бибкод : 2013ApJ...771...29G. дои : 10.1088/0004-637X/771/1/29. S2CID  119290783.
  7. ^ Снеппен, Альберт; Стейнхардт, Чарльз Л.; Хенсли, Хэган; Джермин, Адам С.; Мостафа, Базель; Уивер, Джон Р. (1 мая 2022 г.). «Последствия зависящей от температуры начальной функции массы. I. Подбор фотометрического шаблона». Астрофизический журнал . 931 (1): 57. arXiv : 2205.11536 . Бибкод : 2022ApJ...931...57S. дои : 10.3847/1538-4357/ac695e . ISSN  0004-637X. S2CID  249017733.
  8. ^ аб Крупа, Павел (2002). «Начальная функция масс звезд: доказательства единообразия в переменных системах». Наука . 295 (5552): 82–91. arXiv : astro-ph/0201098 . Бибкод : 2002Sci...295...82K. дои : 10.1126/science.1067524. PMID  11778039. S2CID  15276163.
  9. ^ Солпитер, Эдвин (1955). «Функция светимости и звездная эволюция». Астрофизический журнал . 121 : 161. Бибкод : 1955ApJ...121..161S. дои : 10.1086/145971.
  10. ^ Миллер, Гленн; Скало, Джон (1979). «Начальная функция масс и рождаемость звезд в окрестностях Солнца». Серия дополнений к астрофизическому журналу . 41 : 513. Бибкод : 1979ApJS...41..513M. дои : 10.1086/190629.
  11. ^ Мэсси, Филип (1998). «Начальная функция масс массивных звезд Местной группы». Звездная начальная функция массы (38-я конференция в Херстмонсо) . 142 : 17. Бибкод : 1998ASPC..142...17M.
  12. ^ Крупа, Павел; и другие. (2013). «Звездный и субзвездный МВФ простых и сложных популяций». Звездные системы и структура галактики, Vol. В.arXiv : 1112.3340 . Бибкод : 2013pss5.book..115K. дои : 10.1007/978-94-007-5612-0_4.
  13. ^ Уилкинс, Стивен М.; Трентэм, Нил; Хопкинс, Эндрю М. (апрель 2008 г.). «Эволюция звездной массы и предполагаемая история звездообразования». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 385 (2): 687–694. arXiv : 0801.1594 . Бибкод : 2008MNRAS.385..687W. дои : 10.1111/j.1365-2966.2008.12885.x. ISSN  0035-8711.
  14. ^ Крупа, Павел; Вайднер, Карстен (декабрь 2003 г.). «Начальные функции масс массивных звезд в галактическом поле». Астрофизический журнал . 598 (2): 1076–1078. arXiv : astro-ph/0308356 . Бибкод : 2003ApJ...598.1076K. дои : 10.1086/379105 . ISSN  0004-637X.
  15. ^ Вайднер, К.; Крупа, П.; Ларсен, СС (июнь 2004 г.). «Последствия для формирования звездных скоплений скорости внегалактического звездообразования». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 350 (4): 1503–1510. arXiv : astro-ph/0402631 . Бибкод : 2004MNRAS.350.1503W. дои : 10.1111/j.1365-2966.2004.07758.x . ISSN  0035-8711.
  16. ^ аб Крупа, Павел; Вайднер, Карстен; Пфламм-Альтенбург, Ян; Тиес, Инго; Дабрингхаузен, Йорг; Маркс, Майкл; Машбергер, Томас (2013), Освальт, Терри Д.; Гилмор, Джерард (ред.), «Звездная и субзвездная начальная функция массы простых и составных популяций», Планеты, звезды и звездные системы: Том 5: Галактическая структура и звездное население , Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 115– 242, arXiv : 1112.3340 , Bibcode : 2013pss5.book..115K, doi : 10.1007/978-94-007-5612-0_4, ISBN 978-94-007-5612-0, получено 2 ноября 2023 г.
  17. ^ Ежабкова, Т.; Зонузи, А. Хасани; Крупа, П.; Беккари, Дж.; Ян, З.; Ваздекис, А.; Чжан, З.-Ю. (01.12.2018). «Влияние металличности и скорости звездообразования на зависящую от времени функцию начальной массы звезды в масштабах всей галактики». Астрономия и астрофизика . 620 : А39. arXiv : 1809.04603 . Бибкод : 2018A&A...620A..39J. дои : 10.1051/0004-6361/201833055 . ISSN  0004-6361.
  18. ^ Крупа, П. (1 апреля 2001 г.). «О вариации начальной функции масс». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 322 (2): 231–246. arXiv : astro-ph/0009005 . Бибкод : 2001MNRAS.322..231K. дои : 10.1046/j.1365-8711.2001.04022.x. ISSN  0035-8711.
  19. ^ Крупа, Павел (4 января 2002 г.). «Начальная функция масс звезд: доказательства единообразия в переменных системах». Наука . 295 (5552): 82–91. Бибкод : 2002Sci...295...82K. дои : 10.1126/science.1067524. ISSN  0036-8075. ПМИД  11778039.
  20. ^ Бастиан, Нейт; Кови, Кевин Р.; Мейер, Майкл Р. (1 августа 2010 г.). «Универсальная звездная начальная функция массы? Критический взгляд на вариации». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 48 (1): 339–389. arXiv : 1001.2965 . Бибкод : 2010ARA&A..48..339B. doi : 10.1146/annurev-astro-082708-101642. ISSN  0066-4146.
  21. ^ Хопкинс, AM (январь 2018 г.). «Обзор Дауэса 8: Измерение начальной функции массы звезды». Публикации Астрономического общества Австралии . 35 : е039. arXiv : 1807.09949 . Бибкод : 2018PASA...35...39H. дои : 10.1017/pasa.2018.29. ISSN  1323-3580.
  22. ^ Снеппен, Альберт; Стейнхардт, Чарльз Л.; Хенсли, Хэган; Джермин, Адам С.; Мостафа, Базель; Уивер, Джон Р. (1 мая 2022 г.). «Последствия зависящей от температуры начальной функции массы. I. Подбор фотометрического шаблона». Астрофизический журнал . 931 (1): 57. arXiv : 2205.11536 . Бибкод : 2022ApJ...931...57S. дои : 10.3847/1538-4357/ac695e . ISSN  0004-637X. S2CID  249017733.
  23. ^ Дабрингхаузен, Дж.; Крупа, П.; Баумгардт, Х. (11 апреля 2009 г.). «Сверхтяжелая начальная функция массы звезд во вспышках звезд как объяснение высокого отношения массы к светимости сверхкомпактных карликовых галактик». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 394 (3): 1529–1543. arXiv : 0901.0915 . Бибкод : 2009MNRAS.394.1529D. дои : 10.1111/j.1365-2966.2009.14425.x.
  24. ^ Дабрингхаузен, Йорг; Крупа, Павел; Пфламм-Альтенбург, Ян; Миске, Штеффен (01 марта 2012 г.). «Маленькие рентгеновские двойные системы указывают на очень тяжелую звездную начальную функцию массы в сверхкомпактных карликовых галактиках». Астрофизический журнал . 747 (1): 72. arXiv : 1110.2779 . Бибкод : 2012ApJ...747...72D. дои : 10.1088/0004-637X/747/1/72 . ISSN  0004-637X.
  25. ^ Маркс, Майкл; Крупа, Павел; Дабрингхаузен, Йорг; Павловский, Марсель С. (21 мая 2012 г.). «Доказательства существования тяжелых начальных функций масс звезд с увеличением плотности и уменьшением металличности: тяжелые ММП в ШС». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 422 (3): 2246–2254. arXiv : 1202.4755 . дои : 10.1111/j.1365-2966.2012.20767.x .
  26. ^ Ли, Дженис С.; Хиль де Пас, Армандо; Тремонти, Кристи; Кенникатт, Роберт С.; Салим, Самир; Ботвелл, Мэтью; Кальцетти, Даниэла; Далкантон, Джулианна; Дейл, Дэниел; Энгельбрахт, Чад; Хосе Г. Фунес, SJ; Джонсон, Бенджамин; Сакаи, Сёко; Скиллман, Эван; ван Зи, Лизе (20 ноября 2009 г.). «СРАВНЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ НА Hα И УФ-ЗВЕЗД В ЛОКАЛЬНОМ ОБЪЕМЕ: СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ РАЗНООБРАЗИЯ ДЛЯ КАРЛИКОВЫХ ГАЛАКТИК». Астрофизический журнал . 706 (1): 599–613. arXiv : 0909.5205 . Бибкод : 2009ApJ...706..599L. дои : 10.1088/0004-637X/706/1/599 . ISSN  0004-637X.
  27. ^ Гунавардхана, MLP; Хопкинс, AM; Шарп, Р.Г.; Бро, С.; Тейлор, Э.; Бланд-Хоторн, Дж.; Марастон, К.; Таффс, Р.Дж.; Попеску, CC; Виджесингхе, Д.; Джонс, Д.Х.; Крум, С.; Сэдлер, Э.; Уилкинс, С.; Водитель, ИП (01.08.2011). «Галактика и сборка массы (GAMA): зависимость начальной функции массы звезды от скорости звездообразования: взаимосвязь IMF-SFR». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 415 (2): 1647–1662. дои : 10.1111/j.1365-2966.2011.18800.x . hdl : 20.500.11850/38507 .
  28. ^ Феррерас, Игнасио; Барбера, Франческо Ла; Роза, Игнасио Г. де ла; Ваздекис, Александр; Карвалью, 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.
  29. ^ 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 . doi : 10.1093/mnras/stu1689. ISSN  1365-2966.
  30. ^ Урбан, О.; Вернер, Н.; Аллен, Юго-Запад; Симионеску, А.; Манц, А. (октябрь 2017 г.). «Однородная металличность на окраинах массивных близлежащих скоплений галактик». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 470 (4): 4583–4599. arXiv : 1706.01567 . дои : 10.1093/mnras/stx1542 . ISSN  0035-8711.
  31. ^ Де Люсия, Габриэлла; Фонтанот, Фабио; Хиршманн, Микаэла (21 марта 2017 г.). «Обратная связь AGN и причина усиления α в галактиках раннего типа – выводы из модели GAEA». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма . 466 (1): L88–L92. arXiv : 1611.04597 . doi : 10.1093/mnrasl/slw242. ISSN  1745-3925.
  32. ^ Окамото, Такаши; Нагасима, Масахиро; Лейси, Седрик Г.; Френк, Карлос С. (01 февраля 2017 г.). «Обогащение пассивных галактик металлами в космологическом моделировании образования галактик». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 464 (4): 4866–4874. doi : 10.1093/mnras/stw2729. hdl : 2115/65505 . ISSN  0035-8711.
  33. ^ Романо, Д.; Маттеуччи, Ф.; Чжан, З.-Ю.; Пападопулос, ПП; Айвисон, Р.Дж. (сентябрь 2017 г.). «Эволюция изотопов CNO: новое окно в историю космического звездообразования и звездное ММП в эпоху ALMA». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 470 (1): 401–415. arXiv : 1704.06701 . doi : 10.1093/mnras/stx1197. ISSN  0035-8711.
  34. ^ Чжан, Чжи-Ю; Романо, Д.; Айвисон, Р.Дж.; Пападопулос, Паделис П.; Маттеуччи, Ф. (июнь 2018 г.). «Звездное население, в котором доминируют массивные звезды в пыльных галактиках со вспышками звезд в космическом времени». Природа . 558 (7709): 260–263. arXiv : 1806.01280 . Бибкод : 2018Natur.558..260Z. дои : 10.1038/s41586-018-0196-x. ISSN  1476-4687. ПМИД  29867162.
  35. ^ Чжан, Го-Инь; Андре, Филипп; Меньщиков, Александр; Ли, Цзинь-Цзэн (2024). «Исследование нитевидной природы звездообразования в гигантском молекулярном облаке Калифорнии». arXiv : 2406.08004 [astro-ph.GA].

Примечания

  1. ^ Разные массы звезд имеют разный возраст, поэтому изменение истории звездообразования изменит современную функцию масс, что имитирует эффект изменения ММП.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки