Astronomie

În prima secțiune a acestui capitol, am descris discul subțire, discul gros și haloul stelar. Priviți secțiunea anterioară și rețineți câteva dintre modele. Stelele tinere se află în discul subțire, sunt bogate în metale și orbitează în jurul centrului galaxiei cu mare viteză. Stelele din halo sunt vechi, au abundențe scăzute de elemente mai grele decât hidrogenul și heliul și au orbite foarte eliptice orientate aleatoriu în direcție (vezi figura 1). Stelele din halo pot plonja prin disc și prin protuberanța centrală, dar își petrec cea mai mare parte a timpului mult deasupra sau sub planul galaxiei. Stelele din discul gros sunt intermediare între aceste două extreme. Să vedem mai întâi de ce vârsta și abundența elementelor mai grele sunt corelate și apoi să vedem ce ne spun aceste corelații despre originea galaxiei noastre.

Două tipuri de stele

Descoperirea că există două tipuri diferite de stele a fost făcută pentru prima dată de Walter Baade în timpul celui de-al doilea război mondial. În calitate de cetățean german, lui Baade nu i s-a permis să facă cercetări de război, așa cum făceau mulți alți oameni de știință stabiliți în SUA, așa că a putut să folosească în mod regulat telescoapele de la Mount Wilson din sudul Californiei. Observațiile sale au fost ajutate de cerul mai întunecat care a rezultat în urma stingerii din timpul războiului din Los Angeles.

Printre lucrurile pe care un telescop mare și cerul întunecat i-au permis lui Baade să le examineze cu atenție s-au numărat alte galaxii – vecine ale galaxiei noastre Calea Lactee. Vom discuta despre alte galaxii în capitolul următor (Galaxii), dar deocamdată vom menționa doar că cea mai apropiată galaxie care seamănă cu a noastră (cu un disc și o structură spiralată asemănătoare) este adesea numită galaxia Andromeda, după constelația în care o găsim.

Baade a fost impresionat de asemănarea dintre stelele în principal roșiatice din bulbul nuclear al galaxiei Andromeda și cele din roiurile globulare și haloul galaxiei noastre. El a remarcat, de asemenea, diferența de culoare dintre toate acestea și stelele mai albastre care se găsesc în brațele spirale din apropierea Soarelui (Figura 2). Pe această bază, el a numit stelele albastre strălucitoare din brațele spirale populația I și toate stelele din halo și din roiurile globulare populația II.

Știm acum că populațiile diferă nu numai în ceea ce privește locația lor în galaxie, ci și în ceea ce privește compoziția chimică, vârsta și mișcările lor orbitale în jurul centrului galaxiei. Stelele din populația I se găsesc doar în disc și urmează orbite aproape circulare în jurul centrului galactic. Exemple sunt stelele supergigante strălucitoare, stelele din secvența principală cu luminozitate ridicată (clasele spectrale O și B), care se concentrează în brațele spirale, precum și membrii clusterelor stelare deschise tinere. Materia interstelară și norii moleculari se găsesc în aceleași locuri ca și stelele din populația I.

Stelele din populația II nu prezintă nicio corelație cu localizarea brațelor spirale. Aceste obiecte se găsesc în întreaga galaxie. Unele se află în disc, dar multe altele urmează orbite eliptice excentrice care le poartă la mare înălțime deasupra discului galactic, în halo. Printre exemple se numără stelele înconjurate de nebuloase planetare și stelele variabile RR Lyrae. Stelele din roiurile globulare, care se găsesc aproape în întregime în haloul galaxiei, sunt, de asemenea, clasificate ca populație II.

Astăzi, știm mult mai multe despre evoluția stelară decât știau astronomii în anii 1940 și putem determina vârsta stelelor. Populația I include stele cu o gamă largă de vârste. În timp ce unele au o vechime de până la 10 miliarde de ani, altele sunt încă în formare astăzi. De exemplu, Soarele, care are o vârstă de aproximativ 5 miliarde de ani, este o stea din populația I. Dar la fel sunt și stelele masive tinere din Nebuloasa Orion, care s-au format în ultimele câteva milioane de ani. Populația II, pe de altă parte, este formată în întregime din stele vechi care s-au format foarte devreme în istoria galaxiei; vârstele tipice sunt de 11 până la 13 miliarde de ani.

Acum dispunem, de asemenea, de determinări bune ale compoziției stelelor. Acestea se bazează pe analize ale spectrelor detaliate ale stelelor. Aproape toate stelele par a fi compuse în cea mai mare parte din hidrogen și heliu, dar abundențele lor de elemente mai grele diferă. În Soare și în alte stele din populația I, elementele grele (cele mai grele decât hidrogenul și heliul) reprezintă 1-4% din masa stelară totală. Stelele din populația II din haloul galactic exterior și din roiurile globulare au abundențe mult mai mici ale elementelor grele – adesea mai puțin de o sutime din concentrațiile găsite în Soare și, în cazuri rare, chiar mai mici. Cea mai veche stea din populația II descoperită până în prezent are mai puțin de o zecime de milionime din cantitatea de fier a Soarelui, de exemplu.

După cum am discutat în capitolele anterioare, elementele grele sunt create adânc în interiorul stelelor. Ele sunt adăugate la rezervele de materie primă ale galaxiei atunci când stelele mor, iar materialul lor este reciclat în noi generații de stele. Astfel, pe măsură ce trece timpul, stelele se nasc cu rezerve din ce în ce mai mari de elemente grele. Stelele din populația II s-au format atunci când abundența elementelor mai grele decât hidrogenul și heliul era scăzută. Stelele din populația I s-au format mai târziu, după ce masa pierdută de către membrii muribunzi ai primelor generații de stele a alimentat mediul interstelar cu elemente mai grele decât hidrogenul și heliul. Unele se formează și acum, când alte generații au sporit rezerva de elemente mai grele disponibile pentru noile stele.

Lumea reală

Cu rare excepții, nu ar trebui să avem încredere în nicio teorie care împarte lumea în doar două categorii. În timp ce acestea pot oferi un punct de plecare pentru ipoteze și experimente, ele sunt adesea simplificări exagerate care au nevoie de rafinare o cercetare continuă. Ideea celor două populații a ajutat la organizarea gândurilor noastre inițiale despre Galaxie, dar acum știm că nu poate explica tot ceea ce observăm. Chiar și diferitele structuri ale Galaxiei – disc, halo, bulgăre central – nu sunt atât de clar separate în ceea ce privește locațiile lor, vârstele și conținutul de elemente grele al stelelor din interiorul lor.

Definirea exactă a discului Galaxiei depinde de obiectele pe care le folosim pentru a-l defini, iar acesta nu are o graniță clară. Cele mai fierbinți stele tinere și norii de gaz și praf care le sunt asociați se află în cea mai mare parte într-o regiune cu o grosime de aproximativ 300 de ani-lumină. Stelele mai vechi definesc un disc mai gros, cu o grosime de aproximativ 3000 de ani-lumină. Stelele halo își petrec cea mai mare parte a timpului la mare înălțime deasupra sau sub disc, dar trec prin el pe orbitele lor foarte eliptice și astfel se găsesc uneori relativ aproape de Soare.

Cea mai mare densitate de stele se găsește în protuberanța centrală, acea regiune interioară în formă de bară a galaxiei. Există câteva stele tinere și fierbinți în bulgăre, dar majoritatea stelelor din bulgăre au o vechime mai mare de 10 miliarde de ani. Cu toate acestea, spre deosebire de stelele din halo de vârstă similară, abundența de elemente grele din stelele din bulgăre este aproximativ aceeași cu cea din Soare. De ce ar fi acest lucru?

Astronomii cred că formarea stelelor în bulbul nuclear aglomerat a avut loc foarte rapid imediat după formarea galaxiei Calea Lactee. După câteva milioane de ani, prima generație de stele masive și cu viață scurtă a expulzat apoi elemente grele în explozii de supernove și a îmbogățit astfel generațiile ulterioare de stele. Astfel, chiar și stelele care s-au format în bulgăre cu mai mult de 10 miliarde de ani în urmă au început cu o rezervă bună de elemente grele.

Exact invers s-a întâmplat în Micul Nor al lui Magellan, o mică galaxie din apropierea Căii Lactee, vizibilă din emisfera sudică a Pământului. Chiar și cele mai tinere stele din această galaxie sunt deficitare în elemente grele. Credem că acest lucru se datorează faptului că mica galaxie nu este deosebit de aglomerată, iar formarea stelelor a avut loc destul de lent. Ca urmare, până în prezent, au avut loc relativ puține explozii de supernove. De asemenea, galaxiile mai mici au mai multe probleme în a reține gazul expulzat de exploziile de supernove pentru a-l recicla. Galaxiile cu masă mică exercită doar o forță gravitațională modestă, iar gazul de mare viteză expulzat de supernove poate scăpa cu ușurință din ele.

Ce elemente cu care este înzestrată o stea depinde astfel nu numai de momentul în care s-a format în istoria galaxiei sale, ci și de câte stele din partea sa de galaxie își terminaseră deja viața în momentul în care steaua este gata să se formeze.

Glosar

stea din populația I:

o stea care conține elemente grele; de obicei tânără și se găsește în disc

stea de populație II:

o stea cu o abundență foarte mică de elemente grele; se găsește în întreaga galaxie

.