ALMA-IMF XXII. Role of core subfragmentation in the IMF origin: Hierarchical fragmentation cascade and CMF in W43-MM1
ALMA 觀測揭示 W43-MM1 星團 3D 分形指數僅 1.19，證實重力主導微觀區域碎裂，次碎裂難以撼動大質量恆星形成。
- W43-MM1 的 3D 分形指數僅 1.19，物理尺度每縮半平均僅產生 1.19 個碎片。
- 在小於 1.4 萬天文單位的尺度下，雲氣碎裂由重力主導而非超音速湍流。
- 碎片的質量分配極不均勻，主導碎片佔據三分之二質量，維持頂重分佈特徵。
針對 W43-MM1 原恆星團的最新觀測指出，其 3D 分形指數僅為 1.19，物理尺度每縮小一半平均只分裂出 1.19 個碎片。這項數據證實微觀尺度由重力而非湍流主導，核心次碎裂對恆星初始質量函數的影響極為有限。
W43-MM1 原恆星團具備頂重核心質量函數
恆星形成的根本機制，在於解開分子雲如何分佈並聚集成為獨立的恆星實體。許多分析模型奠基於超音速湍流、磁場與重力的交互作用，這類「重力湍流模型（gravo-turbulent models）」將星際介質視為具備碎形特性的連續體。隨著觀測精度的提升，研究者發現分子雲實際上是由多重碎形（multifractal）結構組成，並在演化成緻密核心時經歷複雜的碎裂級聯（fragmentation cascade）。探究這些特徵在恆星形成過程中的變化，成為天文物理學界的熱門焦點。
近期 ALMA-IMF 計畫觀測了包含 W43-MM1 在內的年輕大質量原恆星團，發現這些區域具備「頂重（top-heavy）」的核心質量函數（CMF），意指大質量核心的比例顯著偏高。學界曾普遍假設 CMF 的形狀會直接對應恆星的初始質量函數（IMF），將核心視為恆星的直接前身。然而，氣體流入造成的核心質量增長，以及核心次碎裂（core subfragmentation）等動態機制，嚴重干擾了這項直接關聯。為了解開次碎裂的實際影響幅度，觀測團隊必須深入量化分子雲的跨尺度碎裂參數。
涵蓋 1.4 萬至 270 天文單位尺度的 ALMA 觀測
研究團隊彙整了五張 W43-MM1 核心區域的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）3 毫米波段影像，範圍涵蓋 1.6 秒差距平方。這批來自第 5、6、7 觀測週期的資料，空間解析度從 1.4 萬天文單位（kau）一路下探至 270 天文單位（au）。鎖定 3 毫米波段的主因是該頻段發射源自塵埃熱輻射，比起 1 毫米波段更容易維持光學薄（optically thin）的特性，從而真實反映緻密結構的物理狀態。
在影像分析階段，團隊採用 getsf 演算法來提取影像中的緊緻輻射源（compact sources）。這套工具具備優異的空間分解能力，可將圓形輻射源與細長纖維狀結構從複雜的背景中分離，最終從五個不同尺度的影像中提取出 3 到 71 個輻射源。低解析度（14 kau 與 8 kau）下捕捉的結構被稱為「叢集（clumps）」，2.4 kau 尺度定義為「核心（cores）」，而在 650 au 與 270 au 極高解析度下提取出的微小結構，則被精確歸類為「碎片（fragments）」。
導入 FAMILY 演算法建構跨尺度輻射源網絡
為了追蹤大尺度雲氣坍縮至微小碎片的具體路徑，研究人員引進基於圖論的 FAMILY 演算法。該工具能將不同空間解析度下提取的輻射源建立垂直聯結，只要子結構的面積有 75% 以上與母結構重疊，系統就會將其標定為具備繼承關係。藉由這套多尺度分析框架，W43-MM1 內部共劃分出 34 個獨立網絡，包含 9 個存在多次分支的階層式（hierarchical）結構、18 個單線發展的線狀式（linear）結構與 7 個無關聯的孤立式（isolated）結構。
網絡的建立使得團隊能精準量化碎裂級聯的關鍵指標，同時排除單一尺度的觀測盲點。系統運算出三大核心參數：衡量空間減半時產生數量變化的「分形指數」、反映親代與子代質量保留比例的「質量傳遞效率」，以及評估兄弟碎片間質量差異的「質量分配」。為了確認計算結果的可靠性，研究還匯入了模擬獵戶座原恆星團的磁流體動力學（MHD）合成影像做為對照組，確保觀測數據具備統計上的說服力。
3D 分形指數 1.19 證實微觀區域由重力主導
運算結果呈現出 W43-MM1 極度集中的質量分佈模式。數據顯示，在考量投影效應修正後，該星團的 3D 分形指數僅為 1.19 ± 0.10，明顯低於 MHD 模擬數值的 1.47。這代表在物理尺度每縮小一半的過程中，一個結構平均只會孕育出 1.19 個子碎片。若以 2400 天文單位大小的核心為基準點，推算至 150 天文單位的終端碎片層級，平均單一核心內部僅會誕生 2 個主要碎片，多重星系統的生成比例極低。
這些碎片間的質量分配展現出強烈的不對稱性，主導碎片往往能掌握高達三分之二的總質量。研究進一步估算，從 2400 天文單位到 200 天文單位尺度的核心形成效率（CFE）約落在 16% 左右。將這些觀測數值帶入重力湍流模型後，可以明確推論 W43-MM1 在小於 1.4 萬天文單位的區域內，碎裂過程已脫離湍流控制，完全由重力機制接管。極低的分形指數加上懸殊的質量分配，確保了頂重特徵能在微觀層級延續，這意味著核心次碎裂無法改變恆星質量分佈的走向，大質量碎片終將演化出大質量的恆星。
核心次碎裂對初始質量函數的影響極微，重力主宰的微觀機制確保了大質量恆星的頂重分佈特徵。