15
An observational introduction to star formation Rahila Amlany (209334137) Phys 5290 Extragalactic astronomy Presentation II

Star formation in galaxies - Home | York University · An!observational!introduction! to!star!formation ... force,&the&free&fall&time&underwhich&they&collapse&and&form&stars ... Each&gas&clump&produces&only&asingle&star.&

Embed Size (px)

Citation preview

 An  observational  introduction  to  star  formation        Rahila  Amlany  (209334137)  Phys  5290-­‐  Extragalactic  astronomy  Presentation  II    

 

   

1    

Table  of  content                                                                                                                                                                                                                                                                                                          page  

9.1  Giant  Molecular  Clouds                                                                                                                                                                                                                                                                                2  

9.1.1  Observed  properties                                                                                                                                                                                                                                                                                      2  

9.1.2  Dynamical  state                                                                                                                                                                                                                                                                                                      3  

• GMCs-­‐  free  fall  collapse                                                                                                                                                                                                                                                                  3  • Turbulence  in  GMCs                                                                                                                                                                                                                                                                              3                                                                  • Magnetic  field  in  GMCs                                                                                                                                                                                                                                                                  3  • Discussion  and  conclusion                                                                                                                                                                                                                                                        4  

9.5.1  The  Kennicutt-­‐Schmidt  Law                                                                                                                                                                                                                                                          4  

• Discussion  and  conclusion                                                                                                                                                                                                                                                        6  

9.6  The  initial  mass  Function  (IMF)                                                                                                                                                                                                                                                    7  

• Assumptions                                                                                                                                                                                                                                                                                                        7  • Conclusion                                                                                                                                                                                                                                                                                                              7  

9.6.1  Observational  constraints                                                                                                                                                                                                                                                                  8  

• Time  independent  IMF                                                                                                                                                                                                                                                                    9  • Uncertainties  in  IMF                                                                                                                                                                                                                                                                              9  • The  IMF  in  our  galaxy                                                                                                                                                                                                                                                                          9  • Conclusion                                                                                                                                                                                                                                                                                                          11  

9.6.2  Theoretical  Models                                                                                                                                                                                                                                                                                      11  

• Self-­‐Regulation  Accretion                                                                                                                                                                                                                                                      11  • Hierarchical  Accretion                                                                                                                                                                                                                                                                  12  • IMF  based  on  core  mass  function                                                                                                                                                                                                                          12  • Non-­‐Universality  of  the  IMF                                                                                                                                                                                                                                              13  • Discussion  and  conclusion                                                                                                                                                                                                                                                    13  

References                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      14  

 

   

2    

Star  formation  in  galaxies  

Star  formation  takes  place  in  large  clouds  of  gas  and  dust  which  inhabit  the  interstellar  medium  of  our  galaxy  and  of  other  galaxies.  To  understand  the  process  of  star  formation,  we  will  look  into  the  physical  processes  which  take  place  in  these  clouds.  

9.1  Giant  Molecular  Clouds:  The  sites  of  Star  Formation  

The  spatial  and  time  scales  for  star  formation  are  much  smaller  than  those  of  a  galaxy;  therefore  the  relationship  between  star  formation  and  the  fine  structure  of  the  ISM  is  considered  to  remain  same  in  different  galaxies.  Therefore  based  on  the  observations  from  the  Milky  Way,  the  overall  star-­‐formation  rates  in  other  galaxies  are  also  considered  to  be  driven  by  the  availability  of  dense  molecular  gas,  which  is  mainly  contained  within  GMCs    

9.1.1  Observed  Properties  

The  giant  molecular  clouds  (GMCs),  which  are  largest  molecular  structures,  have  masses  of  105-­‐106Mʘ  

and  size  of  over  a  few  tens  of  parsecs.  The  densities  are  of  the  order  of  !!! ≃ 100 − 500!"!!  (!  ~10!!"  g!"!!).    Emission  line  observations  of  GMCs  shows  clumps  and  filaments  on  all  scales  ranging  from  molecular  ‘clumps’  (masses  ~10! − 10!!ʘ  ,    sizes  ~  1 − 10!",  and  densities  of  !!!  ~10

! − 10!!"!!  )  to  ‘cores’  (masses  ~  0.1 − 10!ʘ  and  densities  !!! > 10!!"!!.  

Star  formation  occur  only  in  the  most  massive  clumps  (forming  star  clusters)  and  cores  (forming  single  stars,  often  called  as  ‘protostellar  cores’),  which  constituents  only  a  small  fraction  of  the  total  GMC.    The  star  formation  efficiency  of  GMCs  is  so  low  is  an  important  factor  in  our  understanding  of  star  formation.  

The  observed  mass  distribution  of  GMCs  and  their  clumps  is  defined  as  a  power  law  

!"! !"!

= !!(!!!)!!    (M≲  !!)                                                                                                                                                                                                                                  (9.1)  

Where:  0.3  < ! < 0.9  and  !!~  5*10!!ʘ  

The  observed  mass  distribution  of  cores  is  significantly  steeper  with  a  power  law  index  0.9  < ! < 1.5  at    ! ≳  1!ʘ.  This  core  mass  distribution  is  very  similar  to  the  IMF  of  young  stars  which  suggests  that  dense  molecular  cores  are  directly  linked  to  the  formation  of  individual  stars.  

The  temperature  of  GMCs  is  homogenous  consistent  with  the  cosmic  rays  being  the  main  heating  source,  except  for  the  regions  heated  by  UV  radiation  from  massive  stars.    

Well  defined  scaling  relations  between  their  masses,  radii  and  internal  velocity  dispersions  are  observed.  For  masses  10!!ʘ ≲ ! ≲ 10!!ʘ,  the  masses  and  velocity  widths  of  individual  molecular  clouds  and  clumps  are  correlated  with  their  radii:  

! ∝ !!,                    ∆! ∝ !!/! ∝ !!!/!                                                                                                                                                              (9.2)  

phall
Sticky Note
Last proportionality follows fromrho ~ M/R^3 ~ R^2/R^3 ~ 1/R

3    

The  observed  linewidths  (about  10km!!!  on  GMC  scale)  are  much  larger  than  what  is  expected  from  simple  thermal  broadening  (~0.2!"!!!  !"#  ! = 10!)  indicates  that  GMCs  and  molecular  clumps  have  high  level  of  supersonic  turbulence.  

The  strong  spatial  correlation  with  young  star  clusters  (ages  ≲  10!!"),  and  weak  correlation  with  older  star  clusters,  indicates  that  the  typical  lifetime  of    a  GMC  is  ∼ 10!!",  much  shorter  than  the  typical  age  of  a  galaxy.  

9.1.2 Dynamical  State  

Are  the  GMCs  collapsing,  expanding,  or  in  a  state  of  equilibrium?  

1. Idealized  case,  where  a  GMC  will  collapse  under  its  own  gravity—free-­‐fall  collapse:  Assumption:  GMCs  are  self-­‐gravitating,  homogeneous,  isothermal  spheres  of  gas,  with  no  potential  turbulence  and/or  magnetic  fields.    The  mass  have  to  exceed  the  thermal  Jeans  mass  in  order  for  cloud  to  collapse,  

!! =  !!/!

!!!!

(!!!)!/!≃ 40!ʘ(

!!!.!!"!!!

)!( !!!!""!!!!)!!/!                                                                                                                      (9.3)  

with  mean  molecular  mass  =  3.4*10!!"g  

The  equivalent  to  the  Jeans  mass  is  called  the  Bonnor-­‐Ebert  mass  for  an  isothermal  sphere  in  pressure  equilibrium  

!!" = 1.182 !!!

(!!!)!!= 1.182 !!!

(!!!!!)!!                                                                                                                                                  (9.4)  

   !ℎ!"!  !!! = !"!!  !"  !ℎ!  !"#$%&'  !"#$$%"#  

GMCs  and  molecular  clumps  both  have  masses  that  exceed  !!  !"#  !!" .  With  no  additional  pressure  force,  the  free  fall  time  under  which  they  collapse  and  form  stars  is  given  by:  

!!"" = ( !!!"!!

)!! ≃ 3.6 ∗ 10!  !"( !!!

!""!"!!)!!/!                                                                                                                                                          (9.5)  

2.  Isotropic  turbulence  in  GMCs  The  sound  speed    !!  ,  used  in  case  1  for  the  calculation  of  !!  and  !!"  is  replaced  with  effective  speed  of  sound,  !!,!""! = !!! + !!  where  !  is  1D  rms  velocity  due  to  turbulent  motion.  

3. Presence  of  magnetic  field,  B:  Equating  potential  energy  of  a  cloud  with  magnetic  energy  yields  a  characteristic  mass  of  

!ɸ ≡!!!

!"!!!!

!!!!!

≃ 1.6 ∗ 10!!ʘ!!!

!""!"!!

!! !!"!"

!                                                                                        (9.6)  

phall
Sticky Note
Plugging c_s,eff into Eq. 9.3 or 9.4 allows for GMC masses which are at least 1000 to 10,000 times larger, because as mentioned above, sigma is at least ten times larger than c_s.
phall
Sticky Note
Magnetic fields cannot support a cloud with mass M > M_Phi

4    

Discussion  and  conclusion:  

As  shown  above,  physical  processes  such  as  an  interstellar  magnetic  field  or  turbulence  may  affect  the  structure  and  the  evolution  of  GMCs  and  therefore  play  an  important  role  in  regulating  star  formation  efficiency.  

9.5  Empirical  Star-­‐Formation  Laws  

Star-­‐formation  rate  (SFR)  in  a  galaxy  can  be  described  in  terms  of  the  mass  in  stars  formed  per  unit  time  per  unit  area;  

Σ*  !∗!"#!

 

The  gas  consumption  time  is  defined  as  !!" =∑!"#!∗

 

Observations  are  used  to  determined  empirical  star-­‐formation  laws,  i.e.  empirical  scaling  relations  between  Σ ∗  and  certain  ISM  properties.  One  such  relationship  was  studied  by  Schmidt  is  discussed  below.  

9.5.1  The  Kennicutt-­‐Schmidt  Law  

Star-­‐formation  rate  (SFR)  in  a  galaxy  is  empirically  related  to  the  surface  density  of  gas,  by  a  power  law  known  as  the  Schmidt  law  of  star  formation:  

∑*  ∝  ∑!"#!                                                                                                                                                                                                                                            (9.20)  

where  N  ~  2  (for  observed  distribution  of  HI  and  stars  perpendicular  to  the  galactic  plane).  

Schmidt  law  provides  a  very  good  fit  of  the  global  star-­‐formation  rates  (averaged  over  the  entire  star-­‐forming  region)  over  a  large  range  of  surface  densities  (from  the  most  gas-­‐poor  normal  spiral  galaxies  as  well  as  in  the  cores  of  the  most  luminous  starburst  galaxies)  as  shown  in  the  plot  below.  

phall
Sticky Note
insert "=" into this definition

5    

 

Global  SFR  as  a  function  of  the  surface  densities  of  the  total  (atomic  and  molecular)  gas  is  scaled  logarithmically.  Data  sets  cover  normal  disk  galaxies  (region  shown  in  green  or  with  filled  circles),  normal  disk  galaxies  centers  (shown  with  open  circles  or  the  blue  region  on  the  graph)  and  the  starburst  galaxies  marked  as  squares  or  the  red  region.  

 The  line  of  best  fit  is  given  by:  

∑*  =  (2.5±0.7)*10-­‐4( ∑!"#

!⨀!"!!)!.!±!.!"    !⨀!"!!!"#!!                                                                                                                  (9.21)  

Σ∗  ∝  Σ!"#!.!  is  consistent  with  Schmidt  law  if  scale  height  is  same  for  all  galaxies.  

This  law  is  considered  as  an  indication  that  SFR  is  controlled  by  self-­‐gravity  of  the  gas,  in  which  case  SRF  is  proportional  to  gas  mass  divided  by  time  scale  for  gravitational  collapse.  For  a  gas  cloud  with  mean  density  !,  the  free  fall  time  !!!   ∝ 1/ !  so  that  

!  =  !!"!!"#!!!

∝ !!"#!.!                                                                                                                                                                                                                (9.22)  

where  !!" is  the  ratio  of  free  fall  time  and  gas  consumption  time  (a  measure  for  the  efficiency  of  star  formation).  

However  !!"  ≪ 1,    implies  self-­‐gravity  cannot  be  the  only  source.  Two  possible  conclusions:  

a. Star  formation  time  scale  is  !!!  but  only  small  fraction  of  !!"  of  gas  participates  in  the  formation.  

b. The  actual  star-­‐formation  time  scale  is  !!!  !!"

 

6    

The  observed  data  also  shows  a  strong  correlation  between  ∑*  and  ∑!"#!!"#

,    !ℎ!"!  !!"#  =  2!"/!!"#(!),  

the  orbital  time  at  the  outer  radius  R  of  the  relevant  star-­‐forming  region.  The  dynamical  time  scale  suggests  a  rapid  change  in  clouds  morphology  at  all  densities.  

The  logarithmic  plot  below  of  SRF  as  a  function  of  ∑!"#!!"#

   also  fits  well  with  the  Schmidt  law,  with  the  line  

of  best  fit    ∑*  ≈ 0.017∑gasΩ,  where  Ω  the  circular  frequency.                                                                                                                      (9.23)  

This  implies  that  10%  of  the  available  gas  is  consumed  by  star  formation  per  orbital  time.  However,  other  possible  models  under  which  the  best  fit  line  can  also  work  are:    

• SFR  governed  by  the  rate  of  collision  between  gravitationally  bound  clouds  • Models  in  which  spiral  arms  triggers  star  formation.  

 

Discussion  and  conclusion:  

Two  empirical  star-­‐formation  laws  fit  the  observed  data  equally  well  which  open  doors  to  different  models  to  assess  the  physics  behind  the  star-­‐formation.  A  theoretical  point  of  view  in  section  9.5.2  of  the  text  book  scrutinizes  the  empirical  star  formation  laws  in  detail.  

 

 

 

7    

9.6  The  initial  mass  function  (IMF)  

The  IMF,  ɸ(m),  i.e.  the  mass  spectrum  with  which  stars  form,  is  an  important  property  of  star  formation.  The  IMF  is  considered  a  continuous  function,  with  normalization  

!ɸ ! !" = 1!ʘ!!!!

                                                                                                                                                                                           (9.33)  

Where:  !!  ≃    0.08!ʘ  ,  central  temperatures  of  stars  with  M  ≤  0.08!ʘ  are  too  low  for  hydrogen  fusion  to  begin  !!  ≃    100!ʘ  ,  stars  with  M  ≥  100!ʘ  are  unstable  against  radiation  pressure.    So  normalized,  ɸ(m)dm  is  the  relative  number  of  stars  born  with  masses  in  the  range  m  ±  dm/2  for  every  !ʘ  of  newly  stars.  Then  for  the  total  mass,  !∗,  of  newly  formed  stars,  with  masses  in  the  range  of  m±!"/2,  

The  total  number  of  stars  is:  !" ! =   !∗!ʘɸ ! !",  and                                                                                                                          (9.34)  

The  total  mass  of  stars  is:  !" ! =   !∗!ʘ!ɸ ! !"                                                                                                                                            (9.34)  

The  logarithmic  IMF  is  defined  as  ! ! !"#$% =  ɸ ! !",  and  related  to  ɸ(m)  through  

 ! ! = ln 10 !ɸ !                                                                                                                                                                                              (9.35)  

With  logarithmic  slopes  of  ɸ(m)  and  ! ! ,  

! ! ≡ − !  !"#ɸ! !"#!

     and      ! ! ≡  −   ! !"# !! !"#!  

= ! − 1                                                                                                                            (9.36)  

to  characterize  the  shape  of  the  IMF.  

Assumptions:  

• Observations  suggest  IMF  is  independent  of  the  location  in  the  Milky  Way  galaxy.  • IMF  is  universal,  i.e.  it  has  the  same  form  not  only  within  our  galaxy  but  in  all  other  galaxies  at  

different  redshifts.  This  assumption  is  debated  further  in  section  9.6.2.    

Conclusion:      

There  could  be  systematic  changes  of  IMF  with  physical  conditions  of  ISM  (metallicity,              temperature,  density)  out  of  which  stars  are  form.  As  we  will  see,  large  uncertainties  are  involved  in  the  derivation  of  IMF.  

 

 

8    

9.6.1  Observational  constraints  

IMF  is  not  a  direct  observable,  just  like  the  mass  for  most  of  the  stars.  Figure1.  Discusses  the  steps  involved  to  derive  the  IMF.  

Figure1:  Observational  derivation  of  the  IMF    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Measure  the  apparent  magnitudes  and  distances  of  all  the  stars  in  a  specified  volume  to  some  magnitude  limit.  

Observed  apparent  magnitudes  are  converted  into  absolute  magnitudes,  M,  using  stars  distances  

Luminosity  function  ,  ɸ(M),  defined  as  the  number  density  of  stars  as  a  function  of  their  absolute  magnitude  is  then  derived  

 Luminosity  function  is  then  transformed  into  a  mass  function  using  mass-­‐luminosity  relation  of  stars  m(M),  from  stellar  evolution  models  discussed  in  chap  10  

IMF  is  obtained  from  the  mass  function,  with  the  correction  made  for  the  stars  that  died  already  

9    

Time  independent  IMF:  

 The  luminosity  function,  ɸ!,  corrected  for  the  stars  that  died  already  is  given  by  equation  (9.37):    

 ɸ! ! =  ɸ ! ∗  ! ! !"!!

!

! ! !"!!!!  !!!" !

                                                                                                           (for  !!" ! <  !!  )                                          

 !! ! = ! !                                                                                                                                                                                              (for  !!" ! >  !!  )                                        

   

Where  !!the  present  age  of  the  Universe,  and  !!" !  is  the  main  sequence  lifetime  of  magnitude  M  star.    

For  stars  with  !!" ! <  !!  only  fraction  with  ages  younger  than  !!"  can  be  observed,  IMF  then  follows  from  

! ! ∝   !"!"!![! ! ]                                                                                                                                                                                                  (9.38)  

Sources  of  uncertainties  in  the  observational  derivation  of  the  IMF  

• For  the  conversion  of  observed  apparent  magnitude  to  intrinsic  luminosity  of  a  star,  information  of  the  distance  of  the  star  and  the  amount  of  extinction  by  intervening  dust  is  required  and  reliable  measurements  can  only  be  done  for  stars  in  small  volume  around  the  solar  neighbourhood.  

• Conversion  from  absolute  magnitude  to  stellar  mass,  which  are  not  always  1:1  related  (especially  for  massive  stars).  

• Uncertainties  involved  in  the  determination  of  the  star-­‐formation  history,  !(t),  affects  the  accuracy  of  the  correction  for  the  stars  that  have  already  died.  

The  IMF  in  our  Galaxy  

Various  IMFs  of  our  galaxy  have  been  proposed  by  different  investigators  based  on  their  studies:  

1. Salpeter  IMF:  In  the  solar  neighbourhood  which  is  dominated  by  disk  stars  with  the  mass  range  in  0.4!⊙  ≤!   ≤  10!⊙,  Salpeter  in  1955  derived  the  IMF  to  be  

! ! !"  ∞  !!!!"                                    (with  b=2.35)                                                                                                                                            (9.39)    

2. Miller-­‐Scalo  IMF:  IMF  is  found  to  deviates  from  a  pure  power  law,  becoming  flatter  at  lower  masses  and  steeper  at  the  highest  mass  end.  Miller  and  Scalo  in  1979  approximated  the  observed  IMF  by  a  log-­‐normal  form,    

! ! =  !! − !!! − !!!!                      (with  ! ≡ log  ( !!⊙))                                                                                                            (9.40)  

Where  (!! , !!, !!)  =  (1.53,  0.96,  0.47).  

10    

 3. Scalo  IMF  

In  1986,  Scalo  compiled  the  Milky  Way  field  stars  IMF:    

! ! ∝  !!!.!"                                                                                        (! > 10!⊙)!!!.!"                                                          (1!⊙ < ! < 10!⊙)!!!.!"                                                                  (0.2 < ! < 1!⊙)      

                                                           (9.41)  

 The  graphical  representation  of  his  results  below  shows,  at  m> !⊙  Scalo  IMF  is  similar  to  the  Salpeter  IMF  (region  to  the  right  of  the  blue  line),  but  it  contains  some  features  at  lower  masses,  noticeably  at  m  ~  1!⊙    (red  line)  and  the  turnover  at  m≤ 0.2!⊙,  assuming  different  ratios  of  the  current  star-­‐formation  rate  to  the  average  over  the  lifetime  of  the  solar  neighborhood.  

   

4. Kroupa  IMF  :    In  2002  Kroupa  proposed  the  following  IMF.  Notice  at  m  > 0.5!⊙,  IMF  has  similar  shape  as  the  Salpeter  IMF  but  flattens  successively  at  lower  masses.  

               ! ! ∝

!!!.!                                                                  (1.0!⊙ < ! < 100!⊙)  !!!.!                                                                      (0.5!⊙ < ! < 1.0!⊙)!!!.!                                                                 0.08!⊙ < ! < 0.5!⊙

!!!.!                                                             0.01!⊙ < ! < 0.08!⊙

                                       (9.42)  

5. Chabrier  IMF:  

11    

IMFs  for  different  stellar  components  of  the  Galaxy,  such  as  disk  stars,  bulge  stars  and  stars  in  young  and  globular  clusters  have  similar  forms.  For  disk  stars,  he  derived  the  following  results:    

! ! ∝!!!.!", ! > 1.0!⊙

!{![!"# !

!.!!⊙]!/!.!}

, ! < 1.0!⊙

                                                                                                                               (9.43)  

 

Conclusion:  

At  m  ≳  1!⊙  all  the  proposed  IMFs  follow  a  power  law,  similar  to  Salpeter  IMF.  At  lower  masses  however,  there  are  significant  difference  among  different  derived  IMFs.  

For  galaxies  other  than  the  Milky  Way,  only  the  massive  end  of  the  IMF  can  be  determined.  Within  large  uncertainties  involved,  the  inferred  IMF  appears  to  be  similar  for  galaxies  with  different  properties,  supporting  the  possibility  that  the  IMF  may  be  universal.    

9.6.2  Theoretical  Models  

Some  of  the  proposed  theoretical  models  that  describe  the  origin  of  the  IMF:  

a. Self-­‐Regulated  Accretion.  Assumptions:  

1. The  masses  of  stars  limited  by  how  much  they  can  accrete  during  their  formation  2. Each  gas  clump  produces  only  a  single  star.  3. Mass  of  the  star  is  determined  primarily  by  the  velocity  dispersion  (based  on  the  

correlation  of  the  mass  and  density  of  a  clump  with  the  velocity  dispersion  within  the  clump,  (equation  9.2  in  section  9.1).  

4. Final  mass  of  a  star  is  determined  by  considering  strong  wind  from  the  star  to  reverse  the  inflow  onto  the  star.  

5. Stellar  winds  are  spherically  symmetric.    

                           The  stellar  mass  spectrum  is:  

                                                                     !"!"

= !"!"!"

!"!"!(∆!)

!(∆!)!"

                                                                                                                                                                           (9.44)  

Based  on  the  observed  scalings  for  molecular  clouds,   !"!!!"  

∝ !!"!!  (p  ≈ 1.5),  and  !!"   ∝   (∆!)!  

(q  ≈ 4),  IMF  can  be  written  as:  

! ! ∝  !!!,  with! = !(! − 1)/! + 1,  where  ! ∝ (∆!)!                                                (9.45)  

12    

From  assumption  4,  the  value  of  ! = 11/6  which  yields  an  IMF  slope  ! ≈ 2.1,  consistent  with  the  observed  value.  However,  observed  stellar  winds  are  typically  collimated  and  therefore  it  is  unclear  to  what  extend  results  based  on  this  model  are  applicable.  

b. Hierarchical  Accretion.  If  the  stars  form  by  accretion  in  self-­‐similar  networks  of  filaments  over  a  wide  range  of  scales,  and  if  their  masses  are  related  to  the  masses  of  the  fractal  where  they  form,  a  power-­‐law  IMF  can  be  produced.  The  number  density  of  subclusters,  with  size  l  is:  !"! !" !

∝ !!!  where  D  is  the  fractal  dimension  of  the  cloud  boundary.                                                                          (9.47)  

 If  the  mass  of  a  subcluster  related  to  its  size  as  !   ∝ !!  then  the  mass  function  of  a  subcluster  is  !"

! !"!∝ !!!/!                                                                                                                                                                                                                                                                (9.48)  

 Assumption:    The  mass  of  a  star  is  proportional  to  that  of  the  subcluster  in  which  it  forms,  the  IMF  has  a  logarithmic  slope  b  =  1+D/!,  where  D  ~2.3  (the  fractal  dimension  of  a  cloud  with  a  very  open  3D  cloud  structure)  

!"#  !"#$%  ! =1 + 2.3/!, !~1  (!"#  !"#!"#$% − !"#$  !"#$%"!&'(!)1 + 2.3/!, !~3  (!"#  3!  !"#$%"!&'(!)    

 

c. IMF  Based  on  the  Core  Mass  Function.  Based  on  the  mass  distribution  of  molecular  cloud  cores  expected  in  a  turbulent  medium,  since  the  strength  of  compression  in  a  shock  must  be  related  to  the  pre-­‐shock  spatial  scale,  the  mass  function  of  dense  cores  in  the  GMCs  generated  by  supersonic  turbulence  with  a  power-­‐law  spectrum   ∆!!"#(!) ∝ !!  should  have  a  mass  function  !"

! !"!∝ !!!/(!!!!)                                                                                                                                                                                        (9.49)  

(for  supersonic  turbulence  q  =  0.5  and  the  mass  functions  is  a  power  law  with  index  -­‐1.5).    Only  cores  with  high  density  collapse  to  form  star,  therefore  IMF  of  stars  should  be  related  to  the  gravitationally  bound  fraction  of  the  mass  function.  The  thermal  Jeans  mass  corresponding  to  a  fiducial  density  !!  is:  

!! = !!,!!!!

!!!  ,                                                                                                                                                                                                                                                (9.50)  

!ℎ!"!  ! = !"#$%&'  !"  !  !"#  !"#    !!,! ≈ 1.2 ∗ ( !!"!

)!/!( !!!"""!!!!)!/!!ʘ  

 

The  distribution  function  of  local  Jeans  mass,  ! ! !" = 2!!!! ! ! !",    y≡ !!

!!,!= !!!/!  

The  mass  function  of  the  course  that  can  collapse  is:  

phall
Sticky Note
gamma=2 (Mass proportional to size squared, as observed) yields b=2.15, not far from Salpeter's b=2.35.
phall
Highlight
phall
Sticky Note
cores

13    

!"! !"!

∝ ! ! !"!/!!,!! !!!/(!!!!)                                                                                                                                                                  (9.51)  

                           Refer  to  appendix  A  for  more  details  

d. (Non)-­‐Universality  of  the  IMF.  Current  observations  are  consistent  with  the  idea  of  universal  IMF  on  larger  scales  larger  than  individual  star-­‐forming  regions.  However,  large  uncertainties  are  involved.  

1. Local  variations  of  IMF  in  different  star-­‐forming  regions.  For  example  (Taurus  no  star  massive  than  ~2!ʘ  whereas  Orion  cloud  contains  both  high  and  low  mass  stars).  

2. Small  and  cold  molecular  clouds  (< 10!)  do  not  contain  massive  stars  earlier  than  late  type  B  stars,  whereas  massive  warm  clouds  found  to  be  associated  with  HII  regions  produced  by  massive  stars.  

3. Starburst  galaxies  with  large  amounts  of  concentrated  gas  are  likely  to  enhance  the  formation  of  GMCs,  which  could  lead  to  IMF  significantly  different  than  in  normal  spiral  galaxies.    

Discussion  and  conclusion:  

The  morphology  and  evolution  of  the  GMCs  may  depend  on  the  metallicity,  ambient  radiation  resulting  in  redshift  dependence  of  temperature,  may  result  in  different  IMF  depending  on  the  different  physical  properties.  

Our  understanding  of  star-­‐formation  is  based  on  observations  which  involve  large  uncertainties  and  limited  knowledge  of  ISM  in  different  galaxies  (such  as  starburst).  However,  based  on  observed  data  from  the  Milky  Way  and  nearby  galaxies,  various  investigations  are  done  on  of  SFR,  IMF  and  the  evolution  of  GMCs,  and  various  theoretical  models  have  been  proposed  to  understand  the  star-­‐formation.    Star  formation  remains  the  topic  of  on-­‐going  research.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14    

 References:  

1. Mo, H., Van den Bosch, F., & White, S. (. D. M. (2010). Galaxy formation and evolution. Cambridge ; New York: Cambridge University Press.

2. Ward-Thompson, D., & Whitworth, A. P. (2011). An Introduction to Star Formation. Cambridge: Cambridge University Press.

3. Palla, F., Zinnecker, H., Maeder, A., Meynet, G., & Schweizerische Gesellschaft für Astrophysik und Astronomie. (2002).Physics of star formation in galaxies. Berlin ; New York: Springer.  

4. Smith, M. D. 1. (2004). The origin of stars. London: Imperial College Press.