the initial mass function - princeton universityeco/ast541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19...

19
The Initial Mass Function Elisa Chisari AST 541 Dec 4 2012

Upload: others

Post on 23-Jan-2021

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The Initial Mass Function

Elisa Chisari

AST 541Dec 4 2012

Page 2: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

Outline

The form of the IMFSummary of observations

Ingredients of a complete model A Press­Schechter modelNumerical simulations

Conclusions

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Page 3: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The form of the IMF 

IMF: the number of stars per mass (or log­mass) bin

Example: Kroupa IMF, segmented

NB: It is not sufficient to reproduce the IMF.

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Bastian et al. (2010)

“A non­exhaustive list also includes the star formation rate and efficiency, the structure and kinematics of stellar groups and clusters, the properties of multiple stellar systems, jets, and protoplanetary discs, and the rotation rates of stars. (...) variations in environment and initial conditions.” Bate (2012)

Salpeter (1955), single power­law

or

α=1+Γwith

Page 4: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Observations

The measured PDMF and inferred IMF

in Bastian et al. (2010), from de Marchi et al. (2010)

Page 5: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

Observations

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Difficulties in determining IMF

● Assumed spatially constant. Field and cluster population differ in the high­mass stars. 

● PDMF vs. IMF:  Assumes IMF is constant in time and knowledge of SFH.

● In clusters, PDMF changed by dynamics.● Sub­stellar objects ambiguities: mass­luminosity evolves strongly with 

time, difficult to infer mass/age.● Multiplicity fraction: the IMF is sensitive to it through the binary 

(multiple) fraction and the mass ratio (missing detections unresolved secondaries (companions) in the luminosity function). Assumes these are constant in time.

E.g., high mass ratio systems can “hide” stars

And we need to be careful about the statistics of the IMF

Bastian et al. (2010)

Page 6: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The core mass function (CMF) 

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Observations

Lombardi et al. (2006), Alves et al. (2007)

Pipe nebula (130pc, 104 solar mass)

Gal

acti

c la

titu

de

AK

0.0

1.0

6 deg x 8  deg Galactic longitude

Extinction maps from 4 million background stars in the IR (2MASS)  provide high contrast to identify the cores (~160) in C18 O ,H 13CO+¿

Page 7: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

Physical processes that determine the IMF 

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

●  Gravitational collapse and fragmentation (Andrea/Mary Anne)

●  Turbulence (Sasha) ●  Accretion (Wendy, Sudhir)●  Magnetic Fields (Emmanuel)●  Feedback (Ai­Lei)●  Stellar interactions (Alex)●  Environment (Colin)

... or the AST541 summary of Star Formation

Towards a complete model of the IMF 

Bonnell et al. (2007)

Page 8: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Towards a complete model of the IMF 

ANALYTIC APPROACH

NUMERICAL SIMULATIONS

Adaptive Mesh Refinement (AMR)  

Increased resolution in denser regions.Magnetic fields, radiation transport and shocks.

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

Particles + smoothing kernel   fluid →Suitable for self­gravitating fluids and incorporating turbulence. No need for refinement because you follow particles. But requires artificial viscosities to make particles behave more like fluid and for shock discontinuities.

Central Limit Theorem Press­Schechter theoryThe sum of an infinite number of independent variables:

logm=Σi log y i

ϕ(m)∼e−(logm−logmc)

2

2σ2

Press­Schechter (1974)

Commonly used in cosmology. Well­understood, but cannot capture many of the physical mechanisms in simulations.

Page 9: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

Press­Schechter model

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Original formalism by Press­Schechter (1974), applied to the halo mass function in cosmological context.

Star formation: thermal pressure, turbulence, magnetic fields prevent collapse

The ingredients

Cut­off at large scales

Mach number

n '∼11/3

+ density threshold for star formation 

Hennebelle & Chabrier (2008)

δ=ρ/ρ̄−1

δ=log (ρ/ρ̄) b≃0.25

Page 10: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Thermal pressure: Jeans mass OR

Unlike in cosmology, the threshold depends on R

Turbulent support: modification to Jeans massConnection between 

Larson index and Kolmogorov turbulence

Magnetic field:

1)2)  Changes Mach number and      PDF

Hennebelle & Chabrier (2008)

Press­Schechter model

(NS)

Page 11: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

DERIVATION of the IMF form

Mass contained in structures of mass with 

(2) 

(1) = (2) 

P(R , M ')=1Jeans unstable clouds are embedded in bigger Jeans unstable clouds.

significant whensize structure ~ system

R≃Li

IGNORED

Hennebelle & Chabrier (2008)

Press­Schechter model

PROBLEMS:  velocity­density correlations, time dependence, accretion/merging, fragmentation

(1) 

Page 12: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Turbulent support: increases with scale

Thermal support

Purely thermal, much steeper than Salpeter slope.

2 REGIMES

  power­law           

n=−3

Hennebelle & Chabrier (2008)

Press­Schechter model

 Lognormal 

n≃2.33η≃0.4 Purely turbulent, reproduces 

Salpeter slope.

Page 13: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Hennebelle & Chabrier (2008)

Press­Schechter model

Thermal support Turbulent support: increases with scale

Transition

Peak

Page 14: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

Numerical simulations

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Krumholz et al. (2012)ORION: radiative transfer, hydrodynamics, self­gravity, accreting sink particles, a model for protostellar evolution and feedback which includes stellar radiation and outflows.

AMR radiative­hydro simulations of star cluster formation

M c=1000MSun

Σc=1 g /cm2

Initial conditions

T g=10K

0.26pc

ρ=cons

ρ∝r−1.5

σ c=2.9 km /s

Σout=Σc /100 T out=100Tg

3 cases● Smooth, no winds● Turbulent, no winds● Turbulent, with winds

Evolve for 2 crossing times, no gravity, no 

feedback, isothermal.

Turbulent initial 

conditions

Page 15: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

Numerical simulations

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Krumholz et al. (2012)

AMR radiative­hydro simulations of star cluster formation

Smooth, no winds:  40AUTurbulent:  23AU

Conditions for refinement:● Density exceeds local Jeans density● Sharp radiation energy gradient● Proximity to star particle

Maximum refinement

Smooth, no winds

log Σ≃0.3−30g /cm2 logT≃0−100K

Turbulent, with winds

Radiation feedback vs outflows: RF prevents brown dwarfs and allows massive stars. Too efficient! Outflows needed to avoid too much accretion luminosity.

Star particles when M>0.05 solar mass

Page 16: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

Numerical simulations

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

AMR radiative­hydro simulations of star cluster formation

● SmNW starts off more slowly than Tu case, where SFR is constant and low.● SmNW has too much accretion luminosity, no new stars are formed and the ones 

present continue growing, this displaces the IMF to larger masses. The gas is at higher T than in Tu case. Incorporating outflows has produced hypothesized result.

Krumholz et al. (2012)

Mu

l ti p

l ici

ty  fr

act i

on

Mass of primary (solar masses)

Mas

s (s

ola r

 mas

ses)

Time/tff

56 Sm/23 Tu kyrt ff =(3 π/32G ρ̄M (0))1 /2

Tu: 10% mass in stars

Resolutionat low mass?

Page 17: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

Numerical simulations

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

SPH radiative­hydro simulations of star cluster formationBate (2012)

M c=500MSun

ρc=1.2x10−19 g /cm3

Initial conditionsTurbulent velocity field consistent with Larson relation

T g=10.3K

Sink particlesneglect radiative feedback from inside 

particle

racc=0.5AU

3.5x107 particles

<< 23AU

Rc=0.404pc

t ff =19kyrSummary: Fewer brown dwarfs with RF. Larger highest mass at given time. But similar rates.

Page 18: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

Conclusions

● Observations of the IMF suggest similar shapes but there are numerous mechanisms that convert the IMF into the PDMF as a function of time and environment.

● It is not sufficient to reproduce the IMF, other observations need to be reproduced as well. 

● There seems to be a connection between the IMF and the CMF but further observations are needed to understand it.

● An analytic theory based on Press­Schechter is an interesting first approach to the problem, but does not take into account many of the physical processes that  determine the shape of the IMF.

● Ultimately, we need numerical simulations to determine the shape of the IMF and its connection to the CMF. There are 2 main approaches: AMR/SPH. The results in both cases are significantly sensitive to initial conditions. The exploration of parameter space for the initial conditions is very costly. Magnetic fields are typically neglected, we expect them to lower SFR and increase outflows in simulations.

Page 19: The Initial Mass Function - Princeton Universityeco/AST541/elisa... · 2012. 12. 14. · −19 g/cm3 Initial conditions Turbulent velocity field consistent with Larson relation Tg=10.3K

References

The initial mass function       Elisa Chisari           AST541

● Krumholz, Klein & McKee, 2012, ApJ, 754, 71

● Taylor and Miller, 2012, MNRAS, 426, 1687

● Bate, 2012, MNRAS, 419, 3115

● Bastian, Covey & Meyer, 2010, ARA&A, 48, 339 

● Hennebelle & Chabrier, 2008, ApJ, 684, 395

● Bonnell, Larson & Zinnecker, 2007, Protostars & Planets V, B. 

Reipurth, D. Jewitt, and K. Keil (eds), University of Arizona Press, 

tucson, p.149­164

● Alves, Lombardi & Lada, 2007, A&A, 462, 17

● Lombardi, Alves & Lada, 2006, A&A, 454, 781

● Press & Schechter, 1974, 187, 425