Металличность звёзд. Что это такое?

Астрономия сильно упрощает химию. В то время как существует целая периодическая таблица Менделеева с более чем 100 различными химическими элементами, в астрономии их только три: водород, гелий и металлы. И не волнует.😁

Такое положение дел, конечно, не следует воспринимать всерьёз. Конечно, астрономы знают и все другие химические элементы. И подробно изучают их появление в космосе и их влияние на небесные тела. Просто у этих людей гораздо более широкий взгляд на Вселенную. И они считают, что последняя почти полностью состоит из водорода и гелия.

Два столпа

Эти два простейших химических элемента появились непосредственно во время Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Только эти два. И больше ничего в то время в космосе не было. Да, еще были минимальные следы лития и бериллия. Это после водорода и гелия два следующих по порядку самых простых химических элемента.

Все остальные химические элементы, углерод, из которого мы, в том числе, состоим, кислород, которым мы дышим, кремний, из которого состоит большая часть Земли: все это создано внутри звёзд в ходе реакций термоядерного синтеза.

Это очень медленный процесс. В ходе него практически не накопилось сколько-нибудь значимого количества тяжёлых химических элементов даже за 13,8 миллиардов лет существования Вселенной!

Но как же так! Ведь мы живём на небесном теле, которое и состоит, в основном, из таких тяжёлых элементов! Да, это так. Но звезды, газовые гиганты, космические облака, всякая разная пыль, что находится между звёздами и галактиками, — все это практически только водород и гелий. А всего остального, кроме водорода и гелия, в космических просторах крайне мало. Не более 1 процента от общей массы.

Неправильная металличность

Любой уважающий себя юный химик конечно поднимет руку, встанет и откашлявшись, поправляя пионерский галстук, доложит: «Слово «металл», которое используют астрономы, означает вовсе не металл на самом деле! Не вводите людей в заблуждение! Такие элементы, как углерод, кислород или азот – вовсе не металлы!». И сядет, гордо вскинув заострённый подбородок.

Да, это так. И уже невозможно сегодня выяснить, почему астрономия выбрала для использования этот на самом деле неправильный термин. Вероятно, это как-то связано с тем, что сперва никто не знал точно, из чего состоят звезды. Когда впервые удалось выяснить их химический состав, наблюдая спектральные линии света звёзд, учёные увидели линии железа. И именно железо изначально считалось основным компонентом этих объектов.

Так или иначе, сегодня «металличность» стала астрономическим термином. Как и появилось отдельное, астрономическое значение слова «металлы».

Когда астрономы, глумливо поглядывая на химиков, готовят о металличности звёзд, они имеют в виду количество элементов в составе звезды, которые не являются ни водородом, ни гелием.

Железо

Эти количества обозначаются тремя заглавными буквами – X, Y и Z.

X — это процентное содержание водорода, Y — гелия, а Z — всех остальных элементов. Сумма этих трёх чисел всегда должна составлять 100 процентов. У Солнца, например, водород составляет его 73,8% массы, гелий 24,9%, металлы — 1,3%.

Металличность обычно означает количество железа, содержащегося в звезде. По той причине, что этот металл легче всего обнаружить в спектральных линиях. И поэтому он служит своего рода маркером для всех других металлов. Металличность той или иной звезды обычно определяют относительно металличности Солнца.

Звезды, содержащие относительно (в процентном отношении) больше железа, чем Солнце, будут иметь положительную металличность. А звезды, содержащие меньше железа – отрицательную. И это довольно практичное определение. Потому что возраст звезды имеет прямую связь с её металличностью. Или даже может указать на «поколение», к которому она принадлежит!

Как мы уже выяснили чуть выше, когда во Вселенной образовались самые первые звезды, в ней не было практически ничего, кроме водорода и гелия. Первые звезды могли образоваться только из этих двух элементов. Однако внутри себя они создавали самые первые новые, более тяжёлые элементы. Первые металлы в астрономическом смысле.

Когда сверхновые выбросили материал во Вселенную в конце своей жизни, металлы рассеялись в больших космических облаках, из которых еще пока не образовались звезды. И поэтому второе поколение звезд уже имело в своём составе некоторое количество металлов изначально. И после своей взрывной смерти эти звёзды обогатили космические облака еще большим количеством свежеобразованных металлов.

Поколения звёзд

Такие поколения звёзд астрономы называют «населением». Солнце, по их мнению, принадлежит к «Населению I». Что немного сбивает с толку, поскольку более старые звезды предыдущего поколения учёные называют «Населением II». А самые первые звезды Вселенной, самое первое поколение они называют «Население III». Чтобы никто не догадался, по всей видимости.😁

Но как бы то ни было, в любом случае ясно, что звезды со значительно меньшей, чем у Солнца, т.е. отрицательной, металличностью должны принадлежать к Населению II. Звезды Населения III по определению должны иметь металличность, стремящуюся к нулю.

И астрономы нашли в космосе такие объекты. Они почти не содержат металлов.

Например, есть во Вселенной звезда с красивым простым названием SMSS J031300.36-670839.3😊. Или, сокращённо «SM0313». Она находится на расстоянии 6000 световых лет от Земли. Её возраст составляет 13,6 миллиарда лет. И это одна из старейших звезд, которые астрономы наблюдали на сегодняшний день. Его металличность меньше -7,4. А это означает, что эта звезда содержит менее одной десятимиллионной доли железа, содержащегося в Солнце. Следовательно, она должна была быть одной из первых звезд населения II, сформировавшаяся очень и очень давно…

Металличность и планеты

Однако металличность важна не только для определения возраста звезд. Это также хороший параметр и для других исследований. Например, когда речь идёт о том, насколько велики шансы обнаружить планету рядом со звездой. Такие планеты, как Земля, формируются из тех же самых металлов, которые наряду с водородом и гелием содержатся в больших облаках, образующих звезды. Наша планета состоит на 35 процентов из железа, на 30 из кислорода, на 15 из кремния и ещё 13 – магния. Затем идут никель, сера, алюминий, кальций, водород и чугуний😁. Предпоследний почти нигде не встречается в чистом виде. Хотя он и входит с состав воды, покрывающей земную поверхность, в целом водород не играет большой роли в общем химическом составе Земли. А гелий так редко встречается на нашей планете, что впервые его обнаружили, наблюдая за Солнцем!

Но совсем не это имеется в виду, когда речь идёт о роли металличности в формировании планет.

Если систематизировать ранее открытые планеты возле других звезд на группы по размеру, и посмотреть на металличность их родных светил, то можно отметить один интересный факт: звезды с низкой металличностью, как правило, имеют маленькие планеты размером с Землю. В то время как звезды с высокой металличностью имеют большие газообразные планеты, такие как Юпитер. Так происходит потому, что более тяжёлые элементы в газовых облаках помогают материалу «слипаться» лучше и быстрее. Очевидно, что скорость образования планет из материала, окружающего молодую звезду, напрямую зависит от его плотности. Если он плотный – быстрее образуются большие ядра, из которых могут образоваться большие планеты. И если они достаточно быстро вырастут, у них будет шанс захватить много лёгких атомов водорода и гелия до того, как они будут выброшены в космос излучением молодой звезды.

Итак, что мы имеем: первое – сильно металличные звёзды имеют большие планеты. Если у них мало металлов – у них маленькие планеты.

Второе: астрономы используют термин «металлы» с точки зрения химии крайне некорректно. Однако с астрономической точки зрения металличность имеет большой смысл. И Вы несомненно должны знать, что это такое.

Если, конечно, хотите понять вот что: как работают звезды?