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银河系中探测第一代恒星的研究

岑敏锐  
【摘要】: 第一代恒星是形成于宇宙大爆炸后的原始气体中的、不含重于碳元素的、 寿命大于14Gyr的、迄今尚未演化的最古老的恒星。长期的观测结果表明银河 系中尚未发现金属丰度为零的恒星,金属丰度[Fe/H]≤-2.5的恒星极少。由于 近几年的BPS巡天,银河系中已知的极端贫金属丰度的恒星数目大大增多。目 前,可探测到的极端贫金属星的最低金属丰度为[Fe/H]~-4.1。金属丰度在-4 到-3之间的恒星大约有100多颗,这些恒星的运动学特性非常类似于其它晕 星。然而还没有发现第一代恒星,或金属丰度[Fe/H]≤-6的恒星。 为解释以上观测现象,天文学者提出了许多理论模型,本文对这些模型进 行了综述。在不考虑环境介质污染的情况下,能否找到真正第一代恒星的关键 是确定其形成时的初始质量函数。因为恒星初始质量函数,即形成恒星的质量 分布函数,根本地决定了恒星系统的特性及其演化。然而关于恒星的初始质量 函数是否在某些恒星质量处具有峰值、是否具有一个特定质量或截止质量,目 前的证据仍然十分贫乏。理论上分析的结果普遍认为初始质量函数的形状在低 质量处较平缓,而在大质量处则较陡峭。 银河系的结构主要分为核球、银盘和银晕几个组成部分。由于银晕中的球 状星团和晕族场星的金属丰度普遍较低,因而其形成年代较早,是我们探测第 一代恒星的主要场所。本文从理论上分析了决定其化学演化的一些基本要素, 并根据元素形成的主要核合成机制把元素分为儿组,总结了这些元素在晕族恒 星中的丰度分布情况,针对其中的重元素丰度弥散现象,通过两种非均匀的演 化模型对银晕的早期化学演化特征进行了讨论。 本文最后部分根据Tsujimoto等人提出的TSY银晕化学演化模型,并假设 形成第一代恒星的初始质量函数具有Miller-Scalo的形式,从理论上预言和 讨论探测第一代恒星的可能性。在该模型中,我们假定恒星的形成过程被限定 在一块孤立的星云中,星云由星族Ⅲ恒星和原始气体组成。而历代恒星的形成 都是由前代恒星所发生的Ⅱ型超新星爆发所引起,并且其元素丰度由超新星 所抛出物质及星际介质的化学组成所决定,而恒星形成过程当超新星遗迹扫不 到足够气体形成致密壳层时终止。 本文利用利用已有的晕星的观测资料对模型的参数进行限定。计算结果表 明,如果形成恒星的云的质量为10~6M_⊙-10~7M_⊙,则我们探测到第一代恒星的几率 为6.14×10~(-4)-6.14×10~(-5)。另外,我们通过计算发现,早期银晕中形成恒星的金 属丰度与其形成时间没有严格的对应关系,而这种现象的出现,主要是由于超 新星爆发抛出的物质星际气体之间的混合程度存在着不均匀性引起,并且随着 I。二景霎昌。11下J二上一/斗人\丫 \”、二。。/M 三工日RS 工H三引S 金属丰度的增加,这种不均匀性对恒星形成过程的影响会变得越来越小,当气 体的[Fe/Hj增加到-2以上时,己经接近均匀混合程度了。


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