金属量是天文学和物理宇宙学中的一个术语,指恒星内部除氢和氦外其他化学元素的比例。这一概念与日常生活中所说的“金属”不同,在宇宙中,氢和氦占据了绝大部分,因此天文学家将所有更重的元素统称为金属。金属量的变化反映了恒星的年龄信息。宇宙初期主要由氢原子构成,通过太初核合成产生了大量氦和微量锂。最早的恒星,即第三星族星,不含任何金属。这些恒星质量极大,短时间内通过核合成生产了周期表中比铁轻的元素,随后通过超新星爆发将其散播到宇宙中。尽管尚未直接观测到第三星族星,但它们存在于主流的宇宙起源模型中。随着一代代恒星的诞生和死亡,金属量不断增加。最年轻的恒星,如太阳,属于第一星族星,具有最高的金属量。银河系中央的金属量最高,向外围逐渐降低。大型星系相对于小型星系拥有更高金属量。围绕银河系的两个小不规则星系,大麦哲伦星系的金属量约为银河系的40%,小麦哲伦星系的金属量约为银河系的10%。
理论
金属量可能是判断天体年龄的重要线索。据大霹雳理论,宇宙最初几乎全部由氢原子组成,通过太初核合成形成了大量氦和微量锂。第一批恒星,即第三星族星,完全没有金属。这些恒星质量异常庞大,生命周期短暂,通过核合成生产了周期表中比铁轻的元素,随后通过超新星爆发将其散播到宇宙中。尽管尚未直接观测到第三星族星,但它们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释放的物质中形成,其中最古老的恒星,即第二星族星,含有极少的金属。后续几代恒星在前几代恒星生产的富含金属的尘埃中诞生,金属含量逐渐增加。当这些恒星死亡时,它们通过行星状星云或超新星将更多的金属返回到星际介质中,使得新生恒星的金属含量更加丰富。最年轻的恒星,包括我们自己的太阳,属于第一星族星,具有最高的金属量。
分布规律
在整个银河系中,金属量呈现出从银心向外逐渐减少的趋势。这与恒星密度有关:星系中心的恒星密度较高,随着时间的推移,越来越多的金属回归到星际介质中,成为新恒星的原材料。同样,较大星系的金属量普遍高于较小星系。以环绕银河系的两个不规则星系为例,大麦哲伦星系的金属量约占银河系的40%,而小麦哲伦星系的金属量仅占约10%。
第一星族星
第一星族星,又称富金属星,是年轻的恒星,具有最高的金属量。太阳就是这类恒星的一个例子,它们通常位于银河系的旋臂中。最年轻的恒星,即极端的第一星族星,往往位于星系边缘,而太阳则处于第一星族星的中间位置。第一星族星沿着银心的椭圆轨道运动,相对速度较低。由于其高金属量,它们更适合形成行星系统,尤其是类地行星,这些行星由富含金属的吸积盘形成。在第一星族星和第二星族星之间,存在着过渡的星盘星族。
第二星族星
第二星族星,又称贫金属星,含有相对较少的金属。理想情况下,除了氢和氦外,所有元素的含量都应该显著低于富金属天体。尽管自大霹雳以来已有137亿年的历史,金属在宇宙总化学元素中的占比仍然很小。然而,贫金属天体更为原始,它们在宇宙早期形成。它们通常出现在星系中心的核球区域,以及星系晕的星晕区,后者是更古老、金属含量更低的恒星聚集地。球状星团中也包含了大量的第二星族星。人们普遍认为,第二星族星创造了周期表中除不稳定元素外的所有其他元素。科学家们使用多种探测方法,包括Timothy C. Beers等人开发的HK物镜棱镜探测技术,以及Norbert Christlieb等人实施的汉堡-ESO观测项目,成功观测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,又称无金属星,是一种理论上存在的星族,它们在宇宙早期可能存在,极度炽热且不含金属。这些恒星从未被直接观测到,但可以通过研究极其遥远的引力透镜星系获得间接证据。它们也被认为是暗蓝星系的一部分。第三星族星的存在基于这样一个事实:大霹雳不可能产生重元素,但在观测到的类星体发射光谱中,特别是在暗蓝星系中,确实发现了重元素。第三星族星被认为是引发再电离时期的关键因素。现有的理论并未明确指出第一颗恒星是否极为巨大。一项通过计算机模拟验证的恒星形成理论表明,大霹雳没有产生任何重元素,但容易形成质量远超现有恒星的大质量恒星。第三星族星的典型质量是几百个太阳质量,远超过现有恒星。通过对贫金属量的第二星族星的研究,推测第三星族星所产生的金属质量在10至100倍太阳质量之间,这也解释了为什么尚未观测到不含金属的恒星。然而,这些理论的验证需要等待NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜收集更多数据。新的光谱仪巡天项目,如SEGUE或SDSS-II,也有望发现第三星族星。当前,能够形成的最大质量恒星是150倍太阳质量。质量更大的原恒星在初始核反应开始时会喷射出一部分质量。在没有足够的碳、氧或氮的情况下,无论何种情况,CNO循环都无法发生,而且直接进行质子-质子链反应的核聚变反应速率不足以产生足够的能量支持如此巨大的物体。因此,恒星将无法抵抗引力坍缩,迅速自我毁灭,最终结果是没有经历发光过程就直接坍缩成黑洞。这是天文学家认为第三星族星特别神秘的原因——所有的迹象都表明它们应该存在,但只能通过类星体的观测来证明这一点。