Начальная функция масс

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

МВФ часто представляют в виде функции плотности вероятности (PDF), которая описывает вероятность появления звезды, имеющей определенную массу во время ее формирования. 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 от звезд главной последовательности и после определенной потери массы. Поскольку для расчета ММП недостаточно молодых скоплений звезд, вместо этого используется PDMF, и результаты экстраполируются обратно в ММП. МВФ и PDMF могут быть связаны посредством «функции звездного созидания». 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.

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. При малых массах МФМ 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 коллапсов ядра сверхновых происходящих 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. и потенциально существенно отличается в ранних галактиках.

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 . 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. 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. Для звезд малой массы с массой менее 0,13 M _☉ требуется 5 × 10 ⁸ лет, чтобы достичь звезд главной последовательности.

МВФ часто формулируется в виде ряда степенных законов , где $N(m)\mathrm {d} m$ (иногда также представляется как $\xi (m)\Delta m$), количество звезд с массами в диапазоне $m$ к $m+\mathrm {d} m$ в заданном объеме пространства пропорциональна $m^{-\alpha }$, где $\alpha$ является безразмерным показателем.

Обычно используемыми формами МВФ являются нарушенный степенной закон Крупы (2001). и Chabrier (2003) – логнормальный.

Селитра (1955)

Эдвин Э. Солпитер — первый астрофизик, который попытался количественно оценить ММП, применив степенной закон в своих уравнениях. Его работа основана на солнцеподобных звездах, которые можно легко наблюдать с большой точностью. Солпитер определил функцию масс как количество звезд в объеме пространства, наблюдаемого одновременно, в логарифмическом интервале масс. Его работа позволила включить в уравнение большое количество теоретических параметров, сводя все эти параметры к показателю степени. $\alpha =2.35$. Солпитерский МВФ $$\xi (m)\Delta m=\xi _{0}\left({\frac {m}{M_{\odot }}}\right)^{-2.35}\left({\frac {\Delta m}{M_{\odot }}}\right).$$где $\xi _{0}$ — константа, относящаяся к местной звездной плотности.

Миллер-Скало (1979)

Гленн Э. Миллер и Джон М. Скало расширили работу Солпитера, предположив, что МВФ «сгладил» ( $\alpha \rightarrow 0$) когда звездные массы упали ниже 1 M _☉ .

Радуйся (2002)

Павел Крупа сохранил $\alpha =2.3$ между 0,5–1,0 М _☉ , но введено $\alpha =1.3$ между 0,08–0,5 М _☉ и $\alpha =0.3$ ниже 0,08 М _☉ . Выше 1 M _☉ поправка на неразрешенные двойные звезды также добавляет четвертый домен с $\alpha =2.7$.

Шабрие (2003)

Шабрие дал следующее выражение для плотности отдельных звезд в галактическом диске в единицах пк ⁻³ : $$\xi (m)={\frac {0.158}{m\ln(10)}}\exp \left[-{\frac {(\log(m)-\log(0.08))^{2}}{2\times 0.69^{2}}}\right]\quad {\text{ for }}m<1,$$Это выражение является логарифмически нормальным , что означает, что логарифм массы подчиняется гауссовскому распределению до 1 M _☉ .

Для звездных систем (а именно двойных) он дал: $$\xi (m)={\frac {0.086}{m\ln(10)}}\exp \left[-{\frac {(\log(m)-\log(0.22))^{2}}{2\times 0.57^{2}}}\right]\quad {\text{ for }}m<1$$

Склон

Первоначальная функция массы обычно отображается 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.

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.

Вариация

Возможные изменения ММП влияют на нашу интерпретацию сигналов галактик и оценку истории космического звездообразования. поэтому важно учитывать.

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.

Измерения локальной Вселенной, в которой можно разрешить одиночные звезды, согласуются с инвариантным ММП. 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.

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. Об этом постоянно сообщалось как для звездных скоплений, так и для звездных скоплений. и галактики что, по-видимому, существует систематическое изменение МВФ. Однако измерения менее прямые. Для звездных скоплений ММП может меняться со временем из-за сложной динамической эволюции.

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 $\Delta N/\Delta \log M\propto M^{-1.4\pm 0.2}$ для масс, превышающих $1\,M_{\odot }$, и FLMF следует $\Delta N/\Delta \log M_{\text{line}}\propto M_{\text{line}}^{-1.5\pm 0.2}$ для нитей с массой более $10\,M_{\odot }{\text{pc}}^{-1}$. 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.

Дальнейшее чтение

• Скало, Дж. М. (1986). «Начальная функция масс массивных звезд в галактиках. Эмпирические данные». Светящиеся звезды и ассоциации в галактиках . 116 : 451. Бибкод : 1986IAUS..116..451S .
• Скало, Дж. М. (1986). «Звездная начальная функция масс». Основы космической физики . 11 : 1. Бибкод : 1986FCPh...11....1S .
• Крупа, Павел (2002). «Начальная функция масс звезд: доказательства единообразия в переменных системах» . Наука (Представлена ​​рукопись). 295 (5552): 82–91. arXiv : astro-ph/0201098 . Бибкод : 2002Sci...295...82K . дои : 10.1126/science.1067524 . ПМИД   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): Звездная начальная функция массы: МВФ» . Ютуб . 8 апреля 2022 г.