基本介紹
- 中文名：星系的化學演化
- 作者：M.施米特
這類研究開始於1963年M.施米特的一篇論文。主要目的是對星系中恆星和星際物質觀測到的化學元素豐度給予正確說明。此外，將觀測結果同理論預言比較還可對恆星形成和演化的理論提供重要約束。演化模型 原星系雲坍縮到一個臨界密度時，會碎裂形成質量0.1～100M⊙的恆星，其原初化學組成主要是氫和氦，通過內部的熱核聚變，在演化過程中逐漸合成鈣、氧、鎂直至鐵等重元素。這些重元素或者經對流上翻到恆星表面以星風形式流出，或者主要在演化終結時經超新星爆發拋入周圍星際空間。新一代恆星從這種重元素增豐了的星際介質中形成，再以與前代恆星稍有不同的方式繼續演化。這種循環原則上可永遠持續下去，使氫豐度不斷減少，而重元素豐度相應增加。但每一代恆星都是小質量的比例高。這些小質量星壽命很長，不能返回太多氣體。此外，死亡恆星遺蹟（白矮星、中子星、黑洞）中的物質也不能進入再循環。上述簡單的模型只考慮了星系內部恆星演化，而沒有計及星系外部環境的影響，這種封閉模型的預言往往同觀測不符。實際上星系在宇宙中並不孤立，它們或者通過引力將星系際氣體吸積進來，或者通過超新星爆發產生的星風將星際介質驅趕出星系。兩個或更多星系的併合不但會改變初始化學組成，還將顯著影響恆星形成率。星系化學演化模型考慮了所有這些可能的過程，把它們當作問題的自由參數，使理論的預言同實際的觀測儘可能一致。這些自由參數包括恆星形成率、初始質量函式、流入和流出星系的氣體數量和速率以及重元素產額。恆星演化理論中某些仍不太確定的參數也可作為化學演化模型的變數。由於自由參數太多，只有銀河系擁有足夠的觀測資料來限定它們，而對於河外星系則需要等待更多觀測數據。橢圓星系 同橢圓星系觀測特徵相符的所有模型都預言，星系形成之後緊接著有一個非常強的星暴幾乎耗盡了所有氣體。經過一段隨星系質量增加但不超過10億年的時間，在相當短的時間內爆發了大量超新星，觸發星系風除去幾乎所有剩餘的氣體，阻止恆星進一步形成，解釋了觀測到的平均恆星年齡。在這陣強大星系風之後，星系內的氣體只是由死亡恆星逐漸返回星際介質的，由於缺乏原始貧金屬氣體的稀釋，其金屬豐度很高，有時可在星系的熱氣體暈中看到。旋渦星系 由於銀河系和近距星系中所有暈星的年齡都很老，不難構想這類星系中早期的恆星形成活動甚至比橢圓星系還迅速。但盤的存在使情況大為改觀。盤上的恆星形成以中等速率穩定地進行，在中央緻密區比較活躍，在外區較小。實際上，從超新星和脈衝星這類標誌得出的近距旋渦星系恆星形成率隨中心距的增加而指數減少。隨著時間的流逝，不同區域恆星形成率的區別將對其性質產生明顯影響：中央區氣體質量較低而化學豐度較高。盤的最外區氣體比例增加到50％，而金屬豐度低於太陽值。這種現象的直接後果是旋渦星系盤上觀測到重元素豐度的徑向梯度，即內區比外區高。但斜率隨星系和元素而異。旋渦星系化學演化的另一個重要參數是吸積。1972年R.拉爾森為說明許多星系沒有因恆星形成耗竭氣體，首次提出氣體從外面流入的概念，並得到高速雲和內落等觀測的支持。不規則星系 由於質量小，引力勢淺，不規則星系內化學增豐的氣體將因超新星爆發觸發的強大星風驅出，所以金屬豐度低。
