金屬量是天文學(xué)和物理宇宙學(xué)中的一個術(shù)語，指恒星內(nèi)部除氫和氦外其他化學(xué)元素的比例。這一概念與日常生活中所說的“金屬”不同，在宇宙中，氫和氦占據(jù)了絕大部分，因此天文學(xué)家將所有更重的元素統(tǒng)稱為金屬。金屬量的變化反映了恒星的年齡信息。宇宙初期主要由氫原子構(gòu)成，通過太初核合成產(chǎn)生了大量氦和微量鋰。最早的恒星，即第三星族星，不含任何金屬。這些恒星質(zhì)量極大，短時間內(nèi)通過核合成生產(chǎn)了周期表中比鐵輕的元素，隨后通過超新星爆發(fā)將其散播到宇宙中。盡管尚未直接觀測到第三星族星，但它們存在于主流的宇宙起源模型中。隨著一代代恒星的誕生和死亡，金屬量不斷增加。最年輕的恒星，如太陽，屬于第一星族星，具有最高的金屬量。銀河系中央的金屬量最高，向外圍逐漸降低。大型星系相對于小型星系擁有更高金屬量。圍繞銀河系的兩個小不規(guī)則星系，大麥哲倫星系的金屬量約為銀河系的40%，小麥哲倫星系的金屬量約為銀河系的10%。
理論
金屬量可能是判斷天體年齡的重要線索。據(jù)大霹靂理論，宇宙最初幾乎全部由氫原子組成，通過太初核合成形成了大量氦和微量鋰。第一批恒星，即第三星族星，完全沒有金屬。這些恒星質(zhì)量異常龐大，生命周期短暫，通過核合成生產(chǎn)了周期表中比鐵輕的元素，隨后通過超新星爆發(fā)將其散播到宇宙中。盡管尚未直接觀測到第三星族星，但它們存在于主流的宇宙起源模型中。新一代恒星在前一代恒星死亡釋放的物質(zhì)中形成，其中最古老的恒星，即第二星族星，含有極少的金屬。后續(xù)幾代恒星在前幾代恒星生產(chǎn)的富含金屬的塵埃中誕生，金屬含量逐漸增加。當(dāng)這些恒星死亡時，它們通過行星狀星云或超新星將更多的金屬返回到星際介質(zhì)中，使得新生恒星的金屬含量更加豐富。最年輕的恒星，包括我們自己的太陽，屬于第一星族星，具有最高的金屬量。
分布規(guī)律
在整個銀河系中，金屬量呈現(xiàn)出從銀心向外逐漸減少的趨勢。這與恒星密度有關(guān)：星系中心的恒星密度較高，隨著時間的推移，越來越多的金屬回歸到星際介質(zhì)中，成為新恒星的原材料。同樣，較大星系的金屬量普遍高于較小星系。以環(huán)繞銀河系的兩個不規(guī)則星系為例，大麥哲倫星系的金屬量約占銀河系的40%，而小麥哲倫星系的金屬量僅占約10%。
第一星族星
第一星族星，又稱富金屬星，是年輕的恒星，具有最高的金屬量。太陽就是這類恒星的一個例子，它們通常位于銀河系的旋臂中。最年輕的恒星，即極端的第一星族星，往往位于星系邊緣，而太陽則處于第一星族星的中間位置。第一星族星沿著銀心的橢圓軌道運動，相對速度較低。由于其高金屬量，它們更適合形成行星系統(tǒng)，尤其是類地行星，這些行星由富含金屬的吸積盤形成。在第一星族星和第二星族星之間，存在著過渡的星盤星族。
第二星族星
第二星族星，又稱貧金屬星，含有相對較少的金屬。理想情況下，除了氫和氦外，所有元素的含量都應(yīng)該顯著低于富金屬天體。盡管自大霹靂以來已有137億年的歷史，金屬在宇宙總化學(xué)元素中的占比仍然很小。然而，貧金屬天體更為原始，它們在宇宙早期形成。它們通常出現(xiàn)在星系中心的核球區(qū)域，以及星系暈的星暈區(qū)，后者是更古老、金屬含量更低的恒星聚集地。球狀星團中也包含了大量的第二星族星。人們普遍認(rèn)為，第二星族星創(chuàng)造了周期表中除不穩(wěn)定元素外的所有其他元素。科學(xué)家們使用多種探測方法，包括Timothy C. Beers等人開發(fā)的HK物鏡棱鏡探測技術(shù)，以及Norbert Christlieb等人實施的漢堡-ESO觀測項目，成功觀測到了一些最古老的恒星，其中包括CS22892-052、CS31082-001、BD +17° 3248，以及已知最古老的恒星HE0107-5240、HE1327-2326、HE1523-0901。
第三星族星
第三星族星，又稱無金屬星，是一種理論上存在的星族，它們在宇宙早期可能存在，極度熾熱且不含金屬。這些恒星從未被直接觀測到，但可以通過研究極其遙遠(yuǎn)的引力透鏡星系獲得間接證據(jù)。它們也被認(rèn)為是暗藍(lán)星系的一部分。第三星族星的存在基于這樣一個事實：大霹靂不可能產(chǎn)生重元素，但在觀測到的類星體發(fā)射光譜中，特別是在暗藍(lán)星系中，確實發(fā)現(xiàn)了重元素。第三星族星被認(rèn)為是引發(fā)再電離時期的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有的理論并未明確指出第一顆恒星是否極為巨大。一項通過計算機模擬驗證的恒星形成理論表明，大霹靂沒有產(chǎn)生任何重元素，但容易形成質(zhì)量遠(yuǎn)超現(xiàn)有恒星的大質(zhì)量恒星。第三星族星的典型質(zhì)量是幾百個太陽質(zhì)量，遠(yuǎn)超過現(xiàn)有恒星。通過對貧金屬量的第二星族星的研究，推測第三星族星所產(chǎn)生的金屬質(zhì)量在10至100倍太陽質(zhì)量之間，這也解釋了為什么尚未觀測到不含金屬的恒星。然而，這些理論的驗證需要等待NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡收集更多數(shù)據(jù)。新的光譜儀巡天項目，如SEGUE或SDSS-II，也有望發(fā)現(xiàn)第三星族星。當(dāng)前，能夠形成的最大質(zhì)量恒星是150倍太陽質(zhì)量。質(zhì)量更大的原恒星在初始核反應(yīng)開始時會噴射出一部分質(zhì)量。在沒有足夠的碳、氧或氮的情況下，無論何種情況，CNO循環(huán)都無法發(fā)生，而且直接進行質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)的核聚變反應(yīng)速率不足以產(chǎn)生足夠的能量支持如此巨大的物體。因此，恒星將無法抵抗引力坍縮，迅速自我毀滅，最終結(jié)果是沒有經(jīng)歷發(fā)光過程就直接坍縮成黑洞。這是天文學(xué)家認(rèn)為第三星族星特別神秘的原因——所有的跡象都表明它們應(yīng)該存在，但只能通過類星體的觀測來證明這一點。
參考資料 >
恒星的分類.豆丁網(wǎng).2024-08-15