В 1944 году Вальтер Бааде классифицировал группы звезд в пределах Млечного Пути в звездные популяции . В аннотации статьи Бааде он признает, что Ян Оорт первоначально задумал этот тип классификации в 1926 году . [1]
Бааде заметил, что более голубые звезды были тесно связаны со спиральными рукавами, а желтые звезды доминировали вблизи центральной галактической выпуклости и внутри шаровых звездных скоплений . [2] Были определены два основных подразделения: звезды Популяции I и Популяция II , а в 1978 году было добавлено еще одно новое гипотетическое подразделение, названное популяцией III .
Среди типов населения были обнаружены значительные различия в их индивидуальных наблюдаемых звездных спектрах. Позже было показано, что они очень важны и, возможно, связаны с образованием звезд, наблюдаемой кинематикой , [3] возрастом звезд и даже эволюцией галактик как в спиральных , так и в эллиптических галактиках. Эти три простых класса населения с пользой разделили звезды по их химическому составу или металличности . [4] [5] [3]
По определению, каждая группа населения показывает тенденцию, где более низкое содержание металлов указывает на более высокий возраст звезд. Таким образом, первые звезды во Вселенной (очень низкое содержание металлов) были отнесены к популяции III, старые звезды (низкая металличность) — к популяции II, а недавние звезды (высокая металличность) — к популяции I. [6] Солнце считается популяцией I, недавней звездой с относительно высокой 1,4% металличностью. Обратите внимание, что астрофизическая номенклатура считает любой элемент тяжелее гелия «металлом», включая химические неметаллы, такие как кислород. [7]
Наблюдение за звездными спектрами показало, что звезды старше Солнца содержат меньше тяжелых элементов по сравнению с Солнцем. [3] Это сразу же предполагает, что металличность развивалась на протяжении поколений звезд в процессе звездного нуклеосинтеза .
Согласно современным космологическим моделям, вся материя, созданная в Большом взрыве, в основном состояла из водорода (75%) и гелия (25%), и лишь очень незначительная часть состояла из других легких элементов, таких как литий и бериллий . [8] Когда Вселенная достаточно остыла, первые звезды родились как звезды населения III, без каких-либо загрязняющих более тяжелых металлов. Предполагается, что это повлияло на их структуру, так что их звездные массы стали в сотни раз больше, чем у Солнца. В свою очередь, эти массивные звезды также очень быстро эволюционировали, и их нуклеосинтетические процессы создали первые 26 элементов (вплоть до железа в периодической таблице ). [9]
Многие теоретические звездные модели показывают, что большинство звезд населения III с большой массой быстро исчерпали свое топливо и, вероятно, взорвались в чрезвычайно энергичных парно-нестабильных сверхновых . Эти взрывы должны были полностью рассеять их материал, выбросив металлы в межзвездную среду (ISM), чтобы включить их в более поздние поколения звезд. Их разрушение предполагает, что галактические звезды населения III с большой массой не должны наблюдаться. [10] Однако некоторые звезды населения III могут быть видны в галактиках с большим красным смещением , свет которых возник в более ранней истории Вселенной. [11] Ученые обнаружили доказательства существования чрезвычайно маленькой звезды с ультранизким содержанием металлов , немного меньшей, чем Солнце, обнаруженной в двойной системе спиральных рукавов Млечного Пути . Это открытие открывает возможность наблюдения даже за более старыми звездами. [12]
Звезды, слишком массивные для того, чтобы произвести сверхновые с парной нестабильностью, вероятно, коллапсировали бы в черные дыры посредством процесса, известного как фотодезинтеграция . Здесь часть материи могла бы вырваться во время этого процесса в форме релятивистских струй , и это могло бы распространить первые металлы во вселенной. [13] [14] [a]
Самые старые звезды, наблюдаемые до сих пор [10], известные как популяция II, имеют очень низкую металличность; [16] [6] по мере рождения последующих поколений звезд они становились более обогащенными металлами, поскольку газообразные облака, из которых они образовались, получали богатую металлами пыль , произведенную предыдущими поколениями звезд из популяции III.
Когда эти звезды населения II умирали, они возвращали обогащенный металлами материал в межзвездную среду через планетарные туманности и сверхновые, еще больше обогащая туманности, из которых образовались новые звезды. Эти самые молодые звезды, включая Солнце , поэтому имеют самое высокое содержание металлов и известны как звезды населения I.
Звезды населения I — молодые звезды с самой высокой металличностью из всех трех популяций, которые чаще встречаются в спиральных рукавах галактики Млечный Путь . Солнце считается промежуточной звездой населения I, в то время как похожая на Солнце μ Arae гораздо богаче металлами. [17] (Термин «богатая металлами звезда» используется для описания звезд со значительно более высокой металличностью, чем у Солнца; выше, чем можно объяснить погрешностью измерений.)
Звезды населения I обычно имеют правильные эллиптические орбиты Галактического Центра с низкой относительной скоростью . Ранее была выдвинута гипотеза, что высокая металличность звезд населения I делает их более склонными к обладанию планетными системами, чем две другие популяции, поскольку считается, что планеты , особенно планеты земной группы , образуются путем аккреции металлов. [18] Однако наблюдения данных космического телескопа Кеплера обнаружили меньшие планеты вокруг звезд с диапазоном металличности, в то время как только более крупные, потенциальные газовые гигантские планеты концентрируются вокруг звезд с относительно более высокой металличностью — открытие, которое имеет значение для теорий формирования газовых гигантов. [19] Между звездами промежуточной популяции I и популяции II находится промежуточная дисковая популяция.
Звезды населения II, или бедные металлами, — это те, в которых относительно мало элементов тяжелее гелия. Эти объекты образовались в более ранний период существования Вселенной. Звезды промежуточного населения II распространены в балдже около центра Млечного Пути , тогда как звезды населения II, обнаруженные в галактическом гало , старше и, следовательно, более бедны металлами. Шаровые скопления также содержат большое количество звезд населения II. [20]
Характерной чертой звезд населения II является то, что, несмотря на их более низкую общую металличность, они часто имеют более высокое соотношение « альфа-элементов » (элементов, образующихся в результате альфа-процесса , таких как кислород и неон ) по отношению к железу (Fe) по сравнению со звездами населения I; современная теория предполагает, что это является результатом того, что сверхновые типа II вносили более важный вклад в межзвездную среду во время своего образования, тогда как обогащение сверхновых типа Ia металлами произошло на более поздней стадии развития Вселенной. [21]
Ученые нацелились на эти самые старые звезды в нескольких различных обзорах, включая обзор HK с объективной призмой Тимоти К. Бирса и др . [22] и обзор Hamburg- ESO Норберта Кристлиба и др. [23], изначально начатый для слабых квазаров . К настоящему времени они обнаружили и подробно изучили около десяти звезд с ультра-бедными металлами (UMP) (таких как звезда Снедена , звезда Кайрела , BD +17° 3248 ) и три из самых старых звезд, известных на сегодняшний день: HE 0107-5240 , HE 1327-2326 и HE 1523-0901 . Звезда Каффау была идентифицирована как самая бедная металлами звезда, когда она была обнаружена в 2012 году с использованием данных Sloan Digital Sky Survey . Однако в феврале 2014 года было объявлено об открытии звезды с еще меньшей металличностью, SMSS J031300.36-670839.3, обнаруженной с помощью данных астрономического обзора SkyMapper . Менее экстремальными в плане недостатка металлов, но более близкими и яркими, а следовательно, более известными являются HD 122563 ( красный гигант ) и HD 140283 ( субгигант ).
Звезды населения III [24] представляют собой гипотетическую популяцию чрезвычайно массивных, ярких и горячих звезд, практически не содержащих «металлов» , за исключением, возможно, смешанных выбросов от других близлежащих, ранних сверхновых населения III. Термин был впервые введен Невиллом Дж. Вульфом в 1965 году. [25] [26] Такие звезды, вероятно, существовали в очень ранней Вселенной (т. е. при высоком красном смещении) и могли начать производство химических элементов тяжелее водорода , которые необходимы для последующего формирования планет и жизни , какой мы ее знаем. [27] [28]
Существование звезд населения III выводится из физической космологии , но они пока не наблюдались напрямую. Косвенные доказательства их существования были обнаружены в гравитационно-линзовой галактике в очень отдаленной части Вселенной. [29] Их существование может объяснить тот факт, что тяжелые элементы, которые не могли быть созданы во время Большого взрыва , наблюдаются в спектрах излучения квазаров . [9] Также считается, что они являются компонентами слабых голубых галактик . Эти звезды, вероятно, инициировали период реионизации Вселенной , крупный фазовый переход водородного газа, составляющего большую часть межзвездной среды. Наблюдения за галактикой UDFy-38135539 предполагают, что она могла сыграть определенную роль в этом процессе реионизации. Европейская южная обсерватория обнаружила яркий карман звезд раннего населения в очень яркой галактике Cosmos Redshift 7 из периода реионизации около 800 миллионов лет после Большого взрыва, на z = 6,60 . В остальной части галактики есть несколько более поздних красных звезд населения II. [27] [30] Некоторые теории утверждают, что существовало два поколения звезд населения III. [31]
Текущая теория разделилась на два лагеря по вопросу о том, были ли первые звезды очень массивными или нет. Одна из возможностей заключается в том, что эти звезды были намного больше современных звезд: несколько сотен солнечных масс , а возможно, и до 1000 солнечных масс. Такие звезды были бы очень недолговечны и существовали бы всего 2–5 миллионов лет. [32] Такие большие звезды могли быть возможны из-за отсутствия тяжелых элементов и гораздо более теплой межзвездной среды от Большого взрыва. [ требуется цитата ] Напротив, теории, предложенные в 2009 и 2011 годах, предполагают, что первые звездные группы могли состоять из массивной звезды, окруженной несколькими более мелкими звездами. [33] [34] [35] Меньшие звезды, если бы они остались в скоплении, в котором они родились, накопили бы больше газа и не смогли бы дожить до наших дней, но исследование 2017 года пришло к выводу, что если звезда с массой 0,8 солнечных масс ( M ☉ ) или меньше была бы выброшена из своего скопления до того, как она накопила бы больше массы, она могла бы дожить до наших дней, возможно, даже в нашей галактике Млечный Путь. [36]
Анализ данных о звездах населения II с чрезвычайно низкой металличностью, таких как HE 0107-5240 , которые, как полагают, содержат металлы, произведенные звездами населения III, предполагает, что эти звезды без металлов имели массы 20~130 солнечных масс. [37] С другой стороны, анализ шаровых скоплений, связанных с эллиптическими галактиками, предполагает, что сверхновые с парной нестабильностью , которые обычно связаны с очень массивными звездами, были ответственны за их металлический состав. [38] Это также объясняет, почему не наблюдалось ни одной звезды с малой массой и нулевой металличностью , несмотря на модели, построенные для меньших звезд населения III. [39] [40] Скопления, содержащие красные карлики с нулевой металличностью или коричневые карлики (возможно, созданные сверхновыми с парной нестабильностью [16] ), были предложены в качестве кандидатов на темную материю , [41] [42] но поиски этих типов MACHO с помощью гравитационного микролинзирования дали отрицательные результаты. [ необходима ссылка ]
Звезды населения III считаются семенами черных дыр в ранней Вселенной. В отличие от семян черных дыр большой массы , таких как черные дыры прямого коллапса , они могли бы произвести легкие. Если бы они могли вырасти до больших, чем ожидалось, масс, то они могли бы быть квазизвездами , другими гипотетическими семенами тяжелых черных дыр, которые могли бы существовать на раннем этапе развития Вселенной до того, как водород и гелий были загрязнены более тяжелыми элементами.
Обнаружение звезд населения III является целью космического телескопа НАСА «Джеймс Уэбб» . [43]
8 декабря 2022 года астрономы сообщили о возможном обнаружении звезд населения III в галактике с большим красным смещением под названием RX J2129–z8He II. [44] [45]
Два типа звездных популяций были выделены среди звезд нашей собственной галактики Оортом еще в 1926 году.