Em astronomia, a função de massa inicial (FMI, abreviada na literatura em inglês como IMF, de initial mass function) é uma função empírica que descreve a distribuição inicial de massas para uma população de estrelas durante a formação estelar.[1] FMI não apenas descreve a formação e evolução de estrelas individuais, mas também serve como um elo importante que descreve a formação e evolução de galáxias.[1]
A FMI é frequentemente apresentada como uma função de densidade de probabilidade (FDP) que descreve a probabilidade de uma estrela ter uma certa massa durante sua formação.[2][3] Difere da função de massa de tempo presente (FMTP, abreviada na literatura em inglês como PDMF, de present-day mass function), a qual descreve a distribuição atual das massas de estrelas, como gigantes vermelhas, anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros, após algum tempo de evolução longe das estrelas da sequência principal e após uma certa perda de massa.[2] Como não existem aglomerados jovens de estrelas suficientes para o cálculo de FMI, FMTP é usado em vez disso e os resultados são extrapolados de volta para FMI.[3] FMI e FMTP pode ser vinculadas através da "função de criação estelar".[2] A função de criação estelar é definida como o número de estrelas por unidade de volume de espaço em uma faixa de massa e um intervalo de tempo. Para todas as estrelas da sequência principal têm tempos de vida maiores que a galáxia, FMI e FMTP são equivalentes. Similarmente, FMI e FMTP são equivalentes nas anãs marrons devido ao seu tempo de vida ilimitado.[2]
As propriedades e a evolução de uma estrela estão intimamente relacionadas com a sua massa, por isso a FMI é uma importante ferramenta de diagnóstico para astrônomos que estudam grandes quantidades de estrelas. Por exemplo, a massa inicial de uma estrela é o principal fator para determinar sua cor, luminosidade, raio, espectro de radiação e quantidade de materiais e energia que emitiu para o espaço interestelar durante sua vida.[1] Em massas baixas, o FMI define o somatório de massa da Via Láctea e o número de objetos subestelares que se formam. Em massas intermediárias, a FMI controla o enriquecimento químico do meio interestelar. Em massas elevadas, a FMI define o número de colapsos do núcleo de supernovas que ocorrem e, portanto, o feedback da energia cinética.
A FMI é relativamente invariante de um grupo de estrelas para outro, embora algumas observações sugiram que o FMI é diferente em ambientes diferentes,[4][5][6] e potencialmente dramaticamente diferente nas primeiras galáxias.[7]
Desenvolvimento
A massa de uma estrela só pode ser determinada diretamente aplicando a terceira lei de Kepler para um sistema de estrela binária. No entanto, o número de sistemas binários que podem ser observados diretamente é baixo, portanto não há amostras suficientes para estimar a função de massa inicial. Portanto, a função de luminosidade estelar é usada para derivar uma função de massa (uma função de massa de tempo presente, FMTP) aplicando relação massa-luminosidade.[2] A função de luminosidade requer determinação precisa de distâncias, e a maneira mais direta é medir paralaxe estelar dentro de 20 parsecs da Terra. Embora distâncias curtas produzam um número menor de amostras com maior incerteza de distâncias para estrelas com magnitudes fracas (com magnitude > 12 na banda visual), isso reduz o erro de distâncias para estrelas próximas e permite determinação precisa de sistemas estelares binários.[2] Como a magnitude de uma estrela varia com a sua idade, a determinação da relação massa-luminosidade também deve levar em conta a sua idade. Para estrelas com massas acima de 0.7 M☉, são necessários mais de 10 mil milhões de anos para que a sua magnitude aumente substancialmente. Para estrelas de baixa massa abaixo de 0.13 M☉, toma 5 × 108 anos para alcançar estrelas da sequência principal.[2]
Uma FMI é frequentemente declarado em termos de uma série de leis de potência, onde (às vezes também representada como ), o número de estrelas com massas na faixa a dentro de um volume específico de espaço, é proporcional a , onde é um expoente adimensional.
As formas comumente usadas do FMI são a lei de potência truncada de Kroupa (2001)[8] e a log-normal de Chabrier (2003).[2]
Salpeter (1955)
Edwin E. Salpeter foi o primeiro astrofísico que tentou quantificar o FMI aplicando a lei de potência em suas equações.[9] Seu trabalho é baseado em estrelas semelhantes ao Sol que podem ser facilmente observadas com grande precisão.[2] Salpeter definiu a função de massa como o número de estrelas em um volume de espaço observado em um momento conforme o intervalo de massa logarítmico.[2] Seu trabalho permitiu que um grande número de parâmetros teóricos fossem incluídos na equação, ao mesmo tempo que convergia todos esses parâmetros em um expoente de .[1] A FMI de Salpeter é
onde é uma constante relativa à densidade estelar local.
Miller–Scalo (1979)
Glenn E. Miller e John M. Scalo ampliou o trabalho de Salpeter, por sugerir que a FMI "achatada" () quando as massas estelares caírem abaixo de 1 M☉.[10]
Kroupa (2002)
Pavel Kroupa manteve entre 0.5–1.0 M☉, mas introduziu entre 0.08–0.5 M☉ e abaixo de 0.08 M☉. Acima de 1 M☉, corrigindo para estrelas binárias não resolvidas também adiciona um quarto domínio com .[8]
Chabrier (2003)
Chabrier deu a seguinte expressão para a densidade de estrelas individuais no disco galáctico, em unidades de pc−3:[2]
Para sistemas estelares (ou seja, binários), ela dá:
Inclinação
A função de massa inicial é normalmente representada graficamente em uma escala logarítmica de log(N) vs log(m). Esses gráficos fornecem linhas aproximadamente retas com inclinaçãoΓ igual a 1–α. Por isso Γ é frequentemente chamada de inclinação da função de massa inicial. A função de massa atual, para a formação coeva, tem a mesma inclinação, exceto que ocorre em massas mais altas que evoluíram para longe da sequência principal.[11]
Incertezas
Existem grandes incertezas em relação à região subestelar. Em particular, a suposição clássica de uma única FMI cobrindo toda faixa de massa subestelar e estelar está sendo questionado, em favor de uma FMI de dois componentes para explicar possíveis modos de formação diferentes para objetos subestelares — um FMI cobrindo anãs marrons e estrelas de massa muito baixa, e outro variando desde as anãs marrons de maior massa até as mais estrelas massivas. Isto leva a uma região de sobreposição aproximadamente entre 0.05–0.2 M☉ onde ambos os modos de formação podem ser responsáveis por corpos nesta faixa de massa.[12]
Variação
A possível variação do FMI afeta a nossa interpretação dos sinais das galáxias e a estimativa da história da formação estelar cósmica portanto é importante considerar.[13]
Em teoria, a FMI deveria variar de acordo com as diferentes condições de formação de estrelas. A temperatura ambiente mais alta aumenta a massa das nuvens de gás em colapso (massa de jeans); a menor metalicidade do gás reduz a pressão de radiação, tornando assim o acréscimo do gás mais fácil, ambos levam à formação de estrelas mais massivas em um aglomerado de estrelas. A FMI em toda a galáxia pode ser diferente da FMI em escala de aglomerado de estrelas e pode mudar sistematicamente com a história de formação estelar da galáxia.[14][15][16][17]
As medições do universo local onde estrelas únicas podem ser resolvidas são consistentes com um IMF invariante[18][19][20][16][21] mas a conclusão sofre de grande incerteza de medição devido ao pequeno número de estrelas massivas e dificuldades em distinguir sistemas binários de estrelas individuais. Assim, o efeito de variação do IMF não é suficientemente proeminente para ser observado no universo local. No entanto, um recente levantamento fotométrico ao longo do tempo cósmico sugere uma variação potencialmente sistemática do IMF com elevado desvio para o vermelho.[22]
Sistemas formados em épocas muito anteriores ou mais distantes da vizinhança galáctica, onde a atividade de formação estelar pode ser centenas ou mesmo milhares de vezes mais intensa do que a atual Via Láctea, podem fornecer uma melhor compreensão. Tem sido consistentemente relatado tanto para aglomerados de estrelas[23][24][25] e galáxias[26][27][28][29][30][31][32][33][34] que parece haver uma variação sistemática da FMI. No entanto, as medições são menos diretas. Para aglomerados de estrelas, a FMI pode mudar ao longo do tempo devido à complicada evolução dinâmica.[a]
Referências
↑ abcdScalo, JM (1986). Fundamentals of Cosmic Physics(PDF). United Kingdom: Gordon and Breach, Science Publishers, Inc. 3 páginas. Consultado em 28 de fevereiro de 2023
↑Kalirai, Jason S.; Anderson, Jay; Dotter, Aaron; Richer, Harvey B.; Fahlman, Gregory G.; Hansen, Brad M.S.; Hurley, Jarrod; Reid, I. Neill; Rich, R. Michael; Shara, Michael M. (2013). «Ultra-Deep Hubble Space Telescope Imaging of the Small Magellanic Cloud: The Initial Mass Function of Stars with M < 1 Msun». The Astrophysical Journal. 763 (2). 110 páginas. Bibcode:2013ApJ...763..110K. arXiv:1212.1159. doi:10.1088/0004-637X/763/2/110
↑Geha, Marla; Brown, Thomas M.; Tumlinson, Jason; Kalirai, Jason S.; Simon, Joshua D.; Kirby, Evan N.; VandenBerg, Don A.; Muñoz, Ricardo R.; Avila, Roberto J.; Guhathakurta, Puragra; Ferguson, Henry C. (2013). «The Stellar Initial Mass Function of Ultra-faint Dwarf Galaxies: Evidence for IMF Variations with Galactic Environment». The Astrophysical Journal. 771 (1). 29 páginas. Bibcode:2013ApJ...771...29G. arXiv:1304.7769. doi:10.1088/0004-637X/771/1/29
↑Sneppen, Albert; Steinhardt, Charles L.; Hensley, Hagan; Jermyn, Adam S.; Mostafa, Basel; Weaver, John R. (1 de maio de 2022). «Implications of a Temperature-dependent Initial Mass Function. I. Photometric Template Fitting». The Astrophysical Journal. 931 (1). 57 páginas. Bibcode:2022ApJ...931...57S. ISSN0004-637X. arXiv:2205.11536. doi:10.3847/1538-4357/ac695e
↑Miller, Glenn; Scalo, John (1979). «The initial mass function and stellar birthrate in the solar neighborhood». Astrophysical Journal Supplement Series. 41. 513 páginas. Bibcode:1979ApJS...41..513M. doi:10.1086/190629
↑Massey, Philip (1998). «The Initial Mass Function of Massive Stars in the Local Group». The Stellar Initial Mass Function (38Th Herstmonceux Conference). 142. 17 páginas. Bibcode:1998ASPC..142...17M
↑Sneppen, Albert; Steinhardt, Charles L.; Hensley, Hagan; Jermyn, Adam S.; Mostafa, Basel; Weaver, John R. (1 de maio de 2022). «Implications of a Temperature-dependent Initial Mass Function. I. Photometric Template Fitting». The Astrophysical Journal (em inglês). 931 (1). 57 páginas. Bibcode:2022ApJ...931...57S. ISSN0004-637X. arXiv:2205.11536. doi:10.3847/1538-4357/ac695e
↑Diferentes massas de estrelas têm idades diferentes, portanto, modificar a história da formação estelar modificaria a função de massa atual, que imita o efeito da modificação da FMI.
Leitura adicional
Scalo, J. M. (1986). «The initial mass function of massive stars in galaxies Empirical evidence». Luminous Stars and Associations in Galaxies. 116. 451 páginas. Bibcode:1986IAUS..116..451S
Scalo, J. M. (1986). «The Stellar Initial Mass Function». Fundamentals of Cosmic Physics. 11. 1 páginas. Bibcode:1986FCPh...11....1S