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Cómo explicar la existencia de elementos más pesados en las estrellas de la población I y que las estrellas de la población II contengan uno más ligero

Recientemente leí Notas de Astrofísica donde encontré una afirmación de que las estrellas jóvenes se clasifican como estrellas de la Población I y las relativamente más viejas como estrellas de la Población II. Las estrellas de la población I contienen elementos más pesados o "metales", es decir, elementos distintos del helio y el hidrógeno. Mientras que la Población II contiene estrellas más viejas y contienen Hidrógeno y Helio - elementos más ligeros en abundancia.

Mi duda es que, las estrellas comienzan su viaje desde el Hidrógeno en la nebulosa. Con el tiempo, debido a las reacciones nucleares, se crean más y más núcleos pesados, y por lo tanto, las estrellas de la población I, que deberían contener elementos más ligeros en mucha abundancia, y las estrellas más antiguas de la población II deberían contener elementos más pesados. ¿Si la explicación de las Notas es errónea? o cualquier otra explicación plausible? Por favor, aclárelo.

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MariusMatutiae Puntos 998

No tiene en cuenta dos hechos importantes.

La primera es que las estrellas, hacia el final de su vida, devuelven al medio interestelar (ISM) gran parte de su masa inicial, pero ahora enriquecida con elementos pesados producidos por reacciones nucleares dentro de las propias estrellas.

De este modo, las estrellas más jóvenes que se forman a partir del ISM comienzan su vida con una mayor fracción de elementos pesados que las estrellas viejas, que se formaron antes, cuando el ISM estaba menos enriquecido que en la actualidad.

La mayoría de las estrellas devuelven mucho material al ISM, con la única excepción de las estrellas de muy baja masa. Esto ocurre de diferentes maneras, dependiendo de la masa de la estrella.

  1. Estrellas más pesadas que $8 M_\odot$ (es decir, ocho veces el Sol) primero pierden masa a través de potentes vientos (en los casos más extremos, las llamadas variables Mira, una estrella pesada puede arrojar el 90% de su masa), y luego con explosiones SN.

  2. Estrellas más ligeras que $8 M_\odot$ no experimentan explosiones de SN, y sufren menores tasas de pérdida de masa, pero siguen perdiendo mucha masa.

  3. Las estrellas con una masa similar a la del Sol también pierden masa, en vientos mucho menos potentes o en la llamada fase de nebulosa planetaria, en su camino a convertirse en una pequeña enana blanca. Las eyecciones PN son ricas en CNO, como demuestran los fantásticos colores de su entorno.

  4. Por último, las estrellas bastante más ligeras que el Sol desprenden poca o ninguna masa.

Hay que tener en cuenta que todos estos episodios de pérdida de masa se producen cuando la estrella es vieja, es decir cuando la mayor parte del material ha pasado por una etapa de combustión nuclear (H-> He) o quizás incluso más (He-> C,N,O, CNO-> Fe,Mn,Mg,...), de modo que el material devuelto a la fase gaseosa (el ISM) es mucho más rico en elementos pesados que aquel a partir del cual se formó la estrella.

Hay una segundo hecho a tener en cuenta. Dado que las estrellas grandes queman el combustible nuclear mucho más rápido que las estrellas de baja masa (existe una ley aproximada $L \propto M^4$ relacionando la luminosidad con la masa estelar), las estrellas grandes viven muy poco, unos pocos millones de años, mientras que las estrellas de baja masa formadas poco después del big bang siguen aquí. Por tanto, cuando se habla de estrellas PopII, éstas son viejas: se formaron hace mucho tiempo (de 12 a 7 mil millones de años en nuestra Galaxia); en cambio, las estrellas PopI tienen una edad intermedia (como el Sol, de 4,5 GYr de antigüedad) o muy joven (¡incluso hace sólo 1 millón de años!).

Lo que esto significa es que, con las estrellas PopII estás viendo estrellas que queman combustible nuclear muy lentamente, y se formaron cuando el ISM aún no se había enriquecido por el reciclaje de material estelar. En cambio, las estrellas PopI son estrellas que se formaron recientemente, a partir de un ISM enriquecido, y que llevan a la superficie los productos de su propia combustión nuclear. Ambos efectos hacen que las estrellas PopI sean mucho más ricas en elementos pesados que las PopII.

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Chris Kobrzak Puntos 46

En la siguiente imagen se puede ver un breve resumen de la evolución estelar:

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(De aquí que dice que es originalmente de una enciclopedia; haga clic aquí para ampliar la imagen).

Las estrellas más pesadas (pista superior) tienen una vida muy corta (unos pocos millones de años) porque pasan por la fusión de hidrógeno, helio, carbono+oxígeno, ..., hierro en el núcleo. Una vez que se forma una determinada cantidad de hierro, la estrella explota en una supernova de colapso del núcleo (Tipo II) y algo así como el 90% de la estrella es expulsada en una explosión masiva. Esta materia devuelve a la nebulosa en la que se formó con un más alto metalicidad (más elementos pesados). Obsérvese que el remanente de la estrella es un estrella de neutrones o un agujero negro .

Las estrellas más ligeras (pista inferior) tienen una vida muy larga (unos cuantos miles de millones de años) porque no tienen suficiente masa para formar mucho más allá de la quema de helio. El final de la vida de esta estrella es como enana blanca pero antes de llegar allí entra en el nebulosa planetaria fase en la que arranca alrededor de la mitad de su masa (depende de otras condiciones, pero este es un valor "suficientemente bueno"), que permanece en la región en la que se formó.

Claramente ambas estrellas devolver una parte de su material volver en la región en la que se formaron. Cuando devuelven el material, el metalicidad , $Z$ de la región aumenta. Este aumento de la metalicidad modifica la tipos de estrellas que se forman. Población I son estrellas que se formaron en entornos ricos en metales (definidos como ricos en metales $Z\sim0.3$ ) mientras que Población II estrellas formadas en su mayoría por estrellas pobres en metales (definidas como pobres en metales $Z\lesssim0.01$ ). Así, las estrellas de la población II son necesariamente más antiguo que las estrellas de la Población I porque el entorno en el que se forman las estrellas (las nebulosas) aún no ha tenido tiempo suficiente para que se donen más metales a la región.

Obsérvese también que existe una posible tercera población de estrellas llamada Población III estrellas. Actualmente no se han detectado, aunque el próximo Telescopio espacial James Webb debería ser capaz de detectar sus remanentes. Esta población de estrellas tiene una metalicidad casi nula, $Z< 10^{-5}$ como se propuso que se formaran en el universo primitivo (por tanto, principalmente hidrógeno con una pequeña cantidad de helio, litio y berilio).

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