Asztronómia

A fejezet első részében a vékony korongot, a vastag korongot és a csillaghalót ismertettük. Nézzünk vissza az előző szakaszra, és figyeljünk meg néhány mintát. A fiatal csillagok a vékony korongban helyezkednek el, fémekben gazdagok, és nagy sebességgel keringenek a galaxis középpontja körül. A halóban lévő csillagok öregek, alacsony a hidrogénnél és héliumnál nehezebb elemek bősége, és erősen elliptikus, véletlenszerűen irányított pályán keringenek (lásd az 1. ábrát). A halocsillagok átmerülhetnek a korongon és a központi dudoron, de idejük nagy részét messze a Galaxis síkja felett vagy alatt töltik. A vastag korongban lévő csillagok e két véglet között helyezkednek el. Nézzük meg először, miért van összefüggés a kor és a nehezebb elemek bősége között, majd nézzük meg, mit árulnak el ezek az összefüggések galaxisunk eredetéről.

A csillagok két fajtája

A felfedezést, hogy kétféle csillag létezik, először Walter Baade tette meg a második világháború alatt. Német állampolgárként Baade nem végezhetett háborús kutatásokat, mint sok más amerikai tudós, így rendszeresen használhatta a dél-kaliforniai Mount Wilson teleszkópokat. Megfigyeléseit segítette a Los Angeles háborús elsötétítéséből adódó sötétebb égbolt.

A nagy távcső és a sötét égbolt lehetővé tette Baade számára, hogy alaposan megvizsgáljon más galaxisokat – a mi Tejútrendszerünk szomszédjait. Más galaxisokról a következő fejezetben (Galaxisok) lesz szó, de most csak megemlítjük, hogy a hozzánk legközelebbi galaxist, amely hasonlít a miénkhez (hasonló koronggal és spirális szerkezettel), gyakran Androméda-galaxisnak nevezik, a csillagkép után, amelyben találjuk.

Baade-re nagy hatással volt az Androméda-galaxis magdudorában lévő, főként vöröses színű csillagok hasonlósága a mi galaxisunk gömbhalmazaiban és halójában lévőkkel. Megfigyelte továbbá a színkülönbséget mindezek és a Naphoz közeli spirálkarokban található kékebb csillagok között (2. ábra). Ennek alapján a spirálkarokban lévő fényes kék csillagokat I. populációnak, a halóban és a gömbhalmazokban lévő összes csillagot pedig II. populációnak nevezte.

Ma már tudjuk, hogy a populációk nemcsak a galaxisban való elhelyezkedésükben különböznek, hanem kémiai összetételükben, korukban és a galaxis középpontja körüli keringési mozgásukban is. Az I. populáció csillagai csak a korongban találhatók, és közel körkörös pályát követnek a galaktikus középpont körül. Ilyenek például a fényes szuperóriás csillagok, a spirálkarokban koncentrálódó, nagy fényességű fősorozatú csillagok (O és B színképosztály) és a fiatal nyílt csillaghalmazok tagjai. A csillagközi anyag és a molekulafelhők ugyanott találhatók, ahol az I. populációs csillagok.

A II. populációs csillagok nem mutatnak összefüggést a spirálkarok elhelyezkedésével. Ezek az objektumok az egész galaxisban megtalálhatók. Néhányuk a korongban van, de sokan mások olyan excentrikus elliptikus pályákat követnek, amelyek magasan a galaktikus korong fölé, a halóba viszik őket. Ilyenek például a planetáris ködökkel körülvett csillagok és az RR Lyrae változócsillagok. A gömbhalmazokban lévő csillagok, amelyek szinte teljes egészében a galaxis halójában találhatók, szintén a II. populációba sorolhatók.

Ma már sokkal többet tudunk a csillagfejlődésről, mint a csillagászok az 1940-es években, és meg tudjuk határozni a csillagok korát. Az I. populációba a legkülönbözőbb korú csillagok tartoznak. Míg egyesek akár 10 milliárd évesek is lehetnek, mások még ma is formálódnak. Például a Nap, amely körülbelül 5 milliárd éves, az I. populációba tartozó csillag. De ugyanilyenek az Orion-ködben található hatalmas, fiatal csillagok is, amelyek az elmúlt néhány millió évben keletkeztek. A II. populáció viszont kizárólag öreg csillagokból áll, amelyek a galaxis történetében nagyon korán keletkeztek; tipikus koruk 11-13 milliárd év.

Ma már a csillagok összetételét is jól meg tudjuk határozni. Ezek a csillagok részletes színképének elemzésén alapulnak. Úgy tűnik, hogy majdnem minden csillag nagyrészt hidrogénből és héliumból áll, de a nehezebb elemek bősége eltérő. A Napban és más I. populációs csillagokban a nehéz elemek (a hidrogénnél és héliumnál nehezebbek) a teljes csillagtömeg 1-4%-át teszik ki. A külső galaktikus halóban és a gömbhalmazokban található II. populációs csillagok sokkal kisebb mennyiségben tartalmazzák a nehéz elemeket – gyakran a Napban található koncentráció százszorosánál is kevesebb, ritkán még ennél is kevesebb. A legrégebbi, eddig felfedezett II. populációjú csillagban például kevesebb mint egy tízmilliomod része van vasnak, mint a Napban.

Amint azt a korábbi fejezetekben tárgyaltuk, a nehéz elemek mélyen a csillagok belsejében keletkeznek. A csillagok pusztulásakor hozzáadódnak a galaxis nyersanyagkészleteihez, és anyaguk a csillagok új generációiban újrahasznosul. Így az idő előrehaladtával a csillagok egyre nagyobb nehézelem-készletekkel születnek. A II. populációs csillagok akkor keletkeztek, amikor a hidrogénnél és héliumnál nehezebb elemek bősége alacsony volt. Az I. populációs csillagok később keletkeztek, miután a csillagok első generációinak haldokló tagjai által elvesztett tömeg a csillagközi közeget a hidrogénnél és héliumnál nehezebb elemekkel töltötték fel. Néhányuk még most is kialakulóban van, amikor újabb generációk bővítették az új csillagok számára rendelkezésre álló nehezebb elemek készletét.

A valós világ

Ritkán előforduló kivételektől eltekintve, soha nem szabad bíznunk semmilyen elméletben, amely a világot csak két kategóriára osztja. Bár ezek nyújthatnak kiindulópontot a hipotézisek és kísérletek, ezek gyakran túlságosan leegyszerűsített, hogy finomításra szorul a kutatás folytatódik. A két populáció elképzelése segített rendszerezni a galaxisról alkotott kezdeti gondolatainkat, de ma már tudjuk, hogy nem tud megmagyarázni mindent, amit megfigyelünk. Még a Galaxis különböző struktúrái – korong, halo, központi dudor – sem különülnek el ilyen tisztán elhelyezkedésük, koruk és a bennük lévő csillagok nehézelem-tartalma szempontjából.

A Galaxis korongjának pontos meghatározása attól függ, hogy milyen objektumok alapján határozzuk meg, és nincs éles határa. A legforróbb fiatal csillagok és a hozzájuk tartozó gáz- és porfelhők többnyire egy körülbelül 300 fényév vastagságú régióban helyezkednek el. Az idősebb csillagok egy vastagabb, körülbelül 3000 fényév vastagságú korongot határoznak meg. A halocsillagok idejük nagy részét magasan a korong felett vagy alatt töltik, de erősen elliptikus pályáikon áthaladnak rajta, és így néha viszonylag közel találhatók a Naphoz.

A csillagok legnagyobb sűrűsége a központi dudorban, a galaxisnak ebben a sáv alakú belső régiójában található. A dudorban van néhány forró, fiatal csillag, de a legtöbb dudorcsillag több mint 10 milliárd éves. A hasonló korú halocsillagokkal ellentétben azonban a nehézelemek mennyisége a halocsillagokban nagyjából megegyezik a Napéval. Miért van ez?

A csillagászok szerint a csillagkeletkezés a zsúfolt magködben nagyon gyorsan zajlott le, közvetlenül a Tejútrendszer galaxis kialakulása után. Néhány millió év múlva aztán a masszív és rövid életű csillagok első generációja szupernóva-robbanásokban nehéz elemeket bocsátott ki, és ezzel a csillagok következő generációit gazdagította. Így még a bulge-ban több mint 10 milliárd évvel ezelőtt keletkezett csillagok is jó nehézelem-ellátottsággal indultak.

Éppen az ellenkezője történt a Kis Magellán-felhőben, a Tejútrendszer közelében lévő, a Föld déli féltekéjéről látható kis galaxisban. Ebben a galaxisban még a legfiatalabb csillagok is hiányt szenvednek nehézelemekben. Úgy gondoljuk, hogy ennek az az oka, hogy a kis galaxis nem különösebben zsúfolt, és a csillagkeletkezés meglehetősen lassan ment végbe. Ennek eredményeként eddig viszonylag kevés szupernóva-robbanás történt. A kisebb galaxisoknak ráadásul nehezebb megtartaniuk a szupernóva-robbanások által kilökött gázt, hogy azt újrahasznosíthassák. A kis tömegű galaxisok csak szerény gravitációs erőt fejtenek ki, és a szupernóvák által kidobott nagy sebességű gáz könnyen kiszabadulhat belőlük.

Az, hogy egy csillag milyen elemekkel van felruházva, így nemcsak attól függ, hogy a csillag mikor alakult ki a galaxis történetében, hanem attól is, hogy a galaxis adott részében hány csillag fejezte már be az életét, mire a csillag kialakulásra készen áll.

Glosszárium

populáció I csillag:

nehéz elemeket tartalmazó csillag; jellemzően fiatal és a korongban található

populáció II csillag:

nehéz elemeket nagyon kis mennyiségben tartalmazó csillag; az egész galaxisban megtalálható

.