星族:
银河系(以及任一
河外星系)内大量
天体的某种集合。这些天体在年龄、
化学组成、空间分布和运动特性等方面十分接近。
简介
星族是银河系中年龄、化学物质组成、空间分布与运动特性较接近的
恒星集合,于1927年由布鲁根克特(P. Bruggencate),1944年由
美国天文学家
沃尔特·巴德区分成现在的三族恒星。
观察银河系内的恒星,可以将她们分为第一星族和第二星族两大类(在理论上还有第三星族,但在银河系内未曾发现)。做为分类标准的是年龄、化学成分、在
星系内的位置、和空间速度。
主要的原因是年龄,不同的星族在赫罗图上分布的位置不一样,这就像应用在
星团时一样,在星团中,所有的成员被认为有着相同的来源。
通常,区分族群的数字(一、二、三)的增加并不意味着世代交替,只区分彼此间的年龄。
星族的分类是过度简化的,例如,M31和
银河系的bulge年龄大概几个Gyr,但是有富金属成员(有一种解释是,bulge的
引力很大,把
超新星爆发产生的remnant吸进来再产生
恒星),又如矮
不规则星系和正常大小的星系的外围,都包含年轻的
贫金属的在这100Myr内产生的恒星。
年轻的恒星
第一星族星(亦称星族Ⅰ星)包含相当数量比氦重的元素(
天文学中通称为“金属”)。这些重元素的来源是上一代恒星经由超新星爆炸,或来自
行星状
星云物质扩散的过程散布出来的。我们的太阳是属于第一星族的恒星,通常都散布在银河系
旋臂中。
第一星族或是富金属星是年轻的恒星,
金属量最高。
地球的
太阳是富金属的例子,它们通常都在银河的螺旋臂内。
一般而言,最年轻的
恒星,越极端的第一星族星被发现的位置越在最周边,依此类推,太阳被认为位居第一星族星的中间。第一星族星有规则的绕着
银心的椭圆轨道和低的相对速度。高金属量的第一星族星使它们比另外两种星族更适于产生
行星系统,而行星,特别是
类地行星是由富含金属的
吸积盘形成的。在第一星族和第二星族之间有中间的
星盘星族。
年长的恒星
第二星族星(亦称星族Ⅱ星)的恒星在大爆炸之后形成,迄今仍活动的恒星,因此只含有少量的金属(因
恒星演化积累的重元素)。由此导致的结果是,他们缺乏构成行星的元素,也就少有行星在周围环绕。第二星族的
恒星都在
球状星团和
银河系银晕中,像是CS22892-052、CS31082-001、
HE 0107-5240、HE1327-2326等等)。
第二星族星的年龄比第一星族星大了许多,但是却被分配了关系相反的数字来区分,这是历史上遗留下来的原因,因为在第一次对恒星做
中国空间站工程巡天望远镜的探测时,那时并不明了某一类恒星的金属含量会比另一类恒星多的原因。
第二星族或
贫金属星只有相对是少量的金属。理想的相对的少量必须是除了氢和氦之外,所有的元素都远低于富金属
天体中的相对数量,即使在大爆炸之后的137亿年,金属成分在
宇宙整体
化学元素中的百分比仍然是微量的。然而,贫金属天体依然是比较原始的,这些天体是在宇宙较早的时间里就形成的。它们通常出现在接近
星系中心的核球,中间的第二星族星;还有
星系晕的星晕第二星族星,是更老的
恒星,也更缺乏金属。
球状星团也包含大量的第二星族星。一般也相信第二星族星创造了周期表中,除了不稳定的,所有其它的元素。
科学家已经使用几种不同的探测方法,包括Timothy C. Beers 等人的HK物镜棱镜探测和Norbert Christlieb等人的汉堡-ESO的观测,瞄准了一些最老的恒星,和亮度微弱的原始的
类星体。至今,它们已经仔细的观察了大约十个
金属量非常贫乏的恒星,像是CS22892-052、CS31082-001、BD +17° 3248、而已知最老的恒星是
HE 0107-5240、HE1327-2326、
HE 1523-0901。
最老的恒星
假想的第三类恒星是第三星族星(亦称星族Ⅲ星),迄今仍未被发现。推测它们诞生于大爆炸后不久,是不含金属的恒星,存在于类星体和再游离的时期。虽有其理论依据,却没有足以证明其存在的间接证据。推测它们是非常巨大、高热和短命的,质量可能数百倍于
太阳。
第三星族星或是无金属星是假设中的星族,是在早期
宇宙中应该形成的极端重和热,并且不含金属的恒星。它们未曾被直接观测到,但是经由宇宙中非常遥远的重力
透镜星系找到间接的证据。它们也被认为是暗弱蓝星系的成员。它们的存在是基于大霹雳不可能创造重元素,而在观测到的
类星体发射光谱,特别是暗弱蓝星系中重元素又确实存在的事实。它也被认为是这些
恒星触发了再游离周期。
目前的理论并没有区分出第一颗恒星是否非常巨大。一种经由
计算机模拟证实的
恒星形成理论,大霹雳没有产生任何的重元素,但很容易产生质量远比现存的恒星更大的恒星。第三星族星的典型质量是数百个太阳质量,远大于现存的恒星。分析
贫金属量的第二星族星,被认为包含了第三星族星创造的金属,建议这些没有金属的
恒星质量在10至100倍的太阳质量;这也足以解释为何未能观察到不含金属的恒星。但这些理论的验证则要等到
美国航空航天局的
詹姆斯·韦伯空间望远镜望远镜发射之后。新的
光谱仪中国空间站工程巡天望远镜,像是SEGUE或SDSS-II,也可能找到第三族星。
模拟的大霹雳之后4亿年的第一代
恒星。今天,能形成的质量最大恒星是150倍太阳质量;质量更大的原恒星在最初的
核反应开始之际将喷发出部分的质量。在没有足够的碳、氧或氮的恒星核心,不管怎样CNO循环都无法进行,恒星将因无法对抗
引力坍缩而很快的自我毁灭。直接进行质子-质子
链反应的核融合反应
速率不足以产生足够的能量支撑如此大的庞然巨物,最终结果是未经过发光的过程就直接塌缩成为黑洞。这也是天文学家认为第三族星特别奥秘的原因-所有的理由都认为它们应该存在,但却必须经由
类星体的观测才能解释。
看法
上述看法
上述的看法应该是没有继续考虑下去的结果。由于p-p链反应的速度太慢,不足以对抗
引力收缩,第一代
恒星的核心将继续收缩并最终触发3氦过程。3氦过程在1亿K的高温下才能稳定进行,虽然存在第一步反应很不稳定的弊端(
质量数为8的8Be核极不稳定,2.6×10-16秒就再分裂回4He),但在足够的密度下,整体的两步反应还是能够进行的并产生稳定的12C核。由于3氦过程的反应速度和产能正比于温度的30次方、密度的立方,远远强于p-p反应仅为温度的4次方和密度的1次方,它能够顶住引力收缩。接着12C核逐步累积并最终有足够的丰度维持C-N-O循环。从此,第一代
恒星就开始其短暂的
主序星阶段——稳定的发光数十万年。
假设看法
如果这些恒星能够适当的形成,它们的寿命也很短-必定短于一百万年。由于现在这种恒星已经不再形成,要观察这种恒星就必须在极端遥远的可见宇宙的边界搜寻,(因为来自极端遥远的星光需要很长的时间才能抵达
地球,观察遥远的
天体就有如在“回溯时光”。)而在如此遥远的距离上要解析出恒星,即使对
詹姆斯·韦伯空间望远镜望远镜也是件艰巨的任务。
分类
1、按恒星在
星系里的分布、所处的演化阶段和物理特性,可将它们分为两个星族:
星族Ⅰ分布在
银河系和其他
旋涡星系的盘状部分和
旋臂上,主要是青白色星、主星序里的星和疏散
星团里的星。
星族Ⅱ分布在
球状星团里、椭圆星系里和旋涡星系的核心部分,包括
红巨星、天琴RR型
变星和
亚矮星。
星族Ⅰ
恒星的金属含量比星族Ⅱ多,可能较年轻。在
太阳附近,星族Ⅰ恒星主要是沿圆形轨道绕银河系的中心运动,而星族Ⅱ恒星的轨道主要是椭圆形的。
星族Ⅰ,就像太阳包含丰富的比氢和氦重的元素;星族Ⅱ,相对较少且仅含有少量的重元素。天文学家称它们为
贫金属星,它们都很古老,但仍旧含有源自第一代恒星的少量碳、氧、硅以及铁。
2、按
银河系所有
天体分可分为五个星族:晕星族(极端星族Ⅱ),中介星族Ⅱ,盘星族,中介星族Ⅰ(较老星族),
旋臂星族(极端星族Ⅰ):
晕星族分布如一个球状的晕,包住银河系;在银河系
恒星聚集较密的盘状部分,当然也有晕星族的天体,但主要是盘星族和星族Ⅰ。晕星族由银河系中最老的天体所组成,其中包括
球状星团、
亚矮星和周期长于0.4天的
天琴座RR型
变星(周期更短的天琴座RR型变星属盘星族)。
中介星族Ⅱ的主要代表是Vz\u003e30公里/秒的高速星(Vz表示垂直于银道面的速度),以及周期短于250天、光谱型早于
M5型(见恒星光谱分类)的长周期变星。
盘星族包括
银核内的恒星、
行星状
星云和新星,以及“弱线星”(光谱中出现较弱的金属线)。
中介星族Ⅰ包括“富金属星”(光谱中出现较强的金属线)和A型星。
极端星族Ⅰ集中分布在银道面附近(银面聚度最大):主要为
旋臂中的年轻星,如
O型星、B型星、
超巨星,一些
银河系星团和星际物质等。
特点
各星族的年龄相差很大。晕星族最老(其中,
球状星团年龄在100亿年左右);从中介星族Ⅱ、盘星族和中介星族Ⅰ到最年轻的旋臂星族,年龄依次递减。后者的年龄大多为几亿年,甚至有三、五千万年或者更短的。
各个星族在
化学组成上也有差别。一般说来,较老的星族所含的重元素百分比,要比年轻星族的低。这种差别可以用
恒星演化过程加以解释。
恒星进入晚年期后向外抛射物质,使恒星内部核过程所形成的重元素渗入星际物质中去;以后由这种“加浓”物质形成的恒星,其重元素含量就会相应增高。因此,越是年轻的恒星,包含的重元素就越多。
提出
星族这一概念,最早是1927年布鲁根克特在《星团》一书中提出来的。
1944年
沃尔特·巴德观测
星系M31和M33的核心部分,绘成亮星的赫罗图,发现这种赫罗图与
银河系球状星团的赫罗图十分类似;星系外围部分的亮星的赫罗图与银河
星团赫罗图比较接近。在此基础上,巴德重新提出了星族的概念。
巴德认为,银河系以及其他
旋涡星系的
恒星可以分成两大类,称为“星族Ⅰ”和“星族Ⅱ”。两个星族的差别,明显反映在赫罗图的形状以及最亮恒星的颜色和光度上。对于星族Ⅰ,最亮的恒星是早型白色
超巨星;对于星族Ⅱ,最亮的恒星是K型红
橙色超巨星。此外,星族Ⅰ和星族Ⅱ在空间分布和运动特性方面也有不同:星族Ⅰ的恒星集中于
星系外围
旋臂区域内,银面聚度大;星族Ⅱ的恒星则主要集中在星系核心部分,银面聚度小。后来研究表明,把所有的恒星划分为两个星族过于简单。1957年,在
梵蒂冈举行的星族讨论会上,将
银河系里的
恒星划分为五个星族。这种划分方法现已为各国天文学家普遍接受。与星族概念平行的,是子系和次系这两个概念(见银河系子系、银河系次系)。星族概念是从赫罗图和物理特性上着眼的,而子系、次系概念则着重于空间分布和空间运动的特征。大量的研究表明,物理特性与空间分布、空间运动是密切相关的,它们都取决于银河系起源和演化的过程。因此,星族概念和子系、次系概念本质上是一致的;在大多数场合可以统一起来。目前,星族概念被更多地采用。星族概念在研究银河系的起源和演化问题上起着重要的作用。它已成为
星系天文学和天体演化学的重要内容。
参考资料
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