Кратко и по делу: масса звёздообразующих ядер и форма начальной функции масс (IMF) определяются взаимодействием гравитации с трёх основных «контролёров»: турбулентностью, магнитными полями и радиационным (а также механическим) фидбэком. Ниже — ключевые физические механизмы и как они влияют на массу ядер и форму IMF.
1) Базовый масштаб — Джинсова масса
- Гравитационный развал начинается, когда масса превышает Джинсову массу:
$M_J\sim \frac{c_s^3}{G^{3/2}{\rho }^{1/2}}$,
где $c_s$ — звуковая скорость, $\rho$ — плотность.
- Любая физика, повышающая эффективную поддерживающую скорость (турбулентная дисперсия, магнитное давление, нагрев), увеличивает $M_J$ и сдвигает характерную массу вверх.
2) Турбулентность — формирование распределения плотностей и фрагментация
- Супersonic турбулентность в молекулярных облаках даёт логнормальное распределение плотности:
$P(\ln \rho )$ — гауссово с дисперсией ${\sigma }_{\ln \rho }^2=\ln (1+b^2{\mathcal{M}}^2)$,
где $\mathcal{M}$ — звёздная число Маха, а $b$ (≈0.3–1) зависит от типа возбуждения турбулентности (соленоидальное/компрессивное).
- Логнормальное PDF даёт широкий диапазон локальных плотностей; местные участки с повышенной $\rho$ имеют меньшую локальную Джинсову массу и образуют ядерное население.
- Модель турбулентной фрагментации (Padoan–Nordlund, Hennebelle–Chabrier) связывает PDF и спектр турбулентных возмущений с CMF (core mass function). Вкратце: большая $\mathcal{M}$ и более компрессивное возбуждение (большой $b$) → шире PDF → больше низкомассовых и высокомассовых ядер, смещая пик CMF в сторону меньших масс при прочих равных.
3) Магнитные поля — поддержка, торможение и диффузия
- Магнитное поле вносит магнитное давление и напряжение; эффективная поддержка задаётся отношением масс к магнитному потоку:
$\mu =\frac{(M/\Phi )}{(M/\Phi {)}_{\mathrm{crit}}}$. При $\mu <1$ поле «пристёгивает» газ и подавляет коллапс.
- Магнитное давление/напряжение увеличивают критическую массу и уменьшают фрагментацию в направлении перпендикулярном полю; магнитное торможение (magnetic braking) отводит угловой момент, снижая образование множественных фрагментов в диске.
- Амбиполярная диффузия и рекомбинация ионизации позволяют нейтральному газу «проскальзывать» через поле на временах ${\tau }_{AD}$, что контролирует скорость коллапса в частично ионизованных облаках.
4) Радиативный фидбэк и другие «протостеллярные» механизмы
- Аккреционный и внутренний свет протозвезды нагревают окружающую среду; аккреционный свет примерно
$L_{\mathrm{acc}}\sim \frac{GM\dot{M}}{R}$. Нагрев повышает $c_s$ и локальную $M_J$, подавляя фрагментацию и делая IMF более «тяжёлой».
- Для массивных звёзд UV-ионизация (HII-облака) и радиационное давление могут отгонять газ и ограничивать дальнейший рост массы; это влияет на верхний конец IMF.
- Протостеллярные выбросы/джеты/вентиляция снимают часть углового момента и выносят массу, снижая коэффициент превращения массы ядра в звезду $ϵ$ (типичные оценки $ϵ\sim 0.2-0.5$), поэтому итоговая звёздная масса примерно $M_{\ast }\approx ϵM_{\mathrm{core}}$.
5) Модели формирования IMF и роль перечисленных процессов
- В «core‑collapse» сценарии: турбулентность формирует CMF, магнитные поля и фидбэк модифицируют фрагментацию и эффективность аккреции; IMF получается как CMF, умноженный на фактор эффективности $ϵ$. Формально:
$M_{\ast }\approx ϵM_{\mathrm{core}}$.
- В «competitive accretion» сценарии последующая аккреция в протокластерной среде может перераспределять массу и формировать мощный верхний хвост IMF; сильный фидбэк и магнитное поле ограничивают эффективность конкурентной аккреции.
- Сопоставления теории и наблюдений показывают, что CMF похожа по форме на IMF, но сдвинута в массу, что поддерживает важную роль начальной фрагментации (турбулентностью) и последующего регулирования (фидбэк + магнитность).
6) Зависимость от окружения (металличность, поверхностная плотность)
- Меньшая металличность или слабое охлаждение → выше $T$ → больший $M_J$ → «тяжёлая» IMF.
- Более высокая поверхностная плотность и большая турбулентная поддержка (высокое давление) сдвигают характерную массу.
Короткое резюме — что контролирует что:
- Турбулентность: задаёт спектр плотностных возмущений и формирует CMF (определяет ширину и местоположение пика).
- Магнитные поля: подавляют фрагментацию, регулируют скорость коллапса и угловой момент, сдвигают критические массы вверх и уменьшают эффективность превращения газа в звезду.
- Радиация и механический фидбэк (выбросы, HII): нагрев и удаление газа ограничивают фрагментацию и аккрецию, особенно важны для верхнего конца IMF и для коэффициента $ϵ$, переводя CMF в конечную IMF.
Эти процессы взаимосвязаны; итоговая IMF — результат баланса турбулентной фрагментации (задаёт исходную массу ядер) и последующей регуляции магнитными полями и фидбэком (определяет, какая доля каждой ядра превратится в звезду и сколько будет до- или пост-коллапсной перераспределённой массы).