重元素合成模型−单区瞬时循环模型 (one-zone, instantaneous recycling model)

作者: qwq 分类: 天文 发布时间: 2020-10-15 16:16

1. 星族的简单分类:

①盘内的年轻恒星和富金属物质构成星族I。
②核球和晕中的老年贫金属星属于星族II。
③大爆炸产生的不含任何重元素的氢和氦组成的首批恒星称为星族III。
其实,这样把星族成份分类过于简化。
①例如:M31和银河系的核球年龄已达数十亿年,但它们却是富金属。这些老年富金属星既不属于星族I,也不能属于星族II。
②矮不规则星系和正常旋涡星系的外部,含有在过去1亿年内诞生的年轻贫金属恒星。它们也既不属于星族I,也不能属于星族II。

虽然星系中重元素的合成非常复杂,但仍有必要介绍一个简单的模型,即单区瞬时循环模型,虽然它过分简化。

(1)单区瞬时循环模型的三个假设

①假设没有气体逃离星系,也没有气体加入进来(这就是单区或闭区域的含义);
②星系的气体充分混合,处处具有相同的化学组成。恒星将它们核聚变的产物迅速返回星际气体,瞬时地把这些产物均匀地与星系中的气体混合(这就是瞬时循环的含义);
③所有比氦重的元素在星系中是一样多的。

(2)单区瞬时循环模型三个定义

①Mg (t)为在t时刻星系中气体的质量;

②M* (t)为在t时刻星系中小质量恒星,以及白矮星、中 子星和黑洞这些大质量恒星的遗迹的质量(这些天体中 的物质在整个星系生命期中保持锁定在自身之内,即它 们不再参加合成重元素。) ;

③Mh (t)为在t时刻星系气体中重于氦的元素的总质量, 气体中的金属丰度就是Z(t)=Mh /Mg。

④这样的定义暗含星系中只有三种成分:

气体Mg (t);

恒星M* (t);

重元素Mh (t);

它们都随时间变化

(3)单区瞬时循环模型的计算

 ①假设在时刻t,形成了一定质量的恒星。当大质量恒星结束其生命时,它们留下质量为∆M*的小质量恒星和遗迹,并将含重元素质量为p∆M*的气体返回到星际气体中,并瞬时均匀混合。其中p定义为产额,它依赖于初始质量函数和核燃烧的细节。如生成的大质量恒星少,则p就小,因为重元素是在大质量恒星中核聚变中合成的,是一个可调节参数。
注意:大质量恒星核聚变合成的重元素与∆M*无函数关系,但为了后边能积分,利用了一个可调节变量p来联系:p∆M*。在后面将看到,其实也只有当p为常数时,进一步的运算才可进行。

②星际气体中的重元素质量Mh随着大质量恒星合成的重元素返回到它们中而改变,同时质量为Z∆M*(∆M*相当于形成小质量恒星和遗迹的气体的质量,这些气体的金属丰度为Z)的重元素被锁定在小质量恒星和遗迹中。所以,我们得到星际气体中重元素质量的增加量为:

∆Mh=p∆M*−Z∆M*=(p−Z)∆M*(4.13),

其中Z=Mh/Mg。

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