Die Entstehung des Sonnensystems unter Berücksichtigung seines Alters und des Universums

Früh im Leben des Universums wird angenommen, dass die Sternentstehung in „metallfreiem“ Gas wahrscheinlich größere Sterne begünstigte. Diese Sterne der Population III hatten ein kurzes Leben und reicherten das interstellare und intergalaktische Medium sehr schnell mit Nukleosyntheseprodukten an.

Tatsächlich wird angenommen, dass die Hauptanreicherung des interstellaren Mediums (ISM) in unserer eigenen Galaxie einige Milliarden Jahre vor der Geburt der Sonne stattgefunden hat. Sterne, die jetzt entstehen, haben im Grunde die gleiche Zusammensetzung wie die Sonne. Das folgende Diagramm zeigt die Eisenhäufigkeit (auf einer logarithmischen Skala) als Funktion des abgeleiteten Alters für Sterne in der spektroskopischen Gaia-ESO-Durchmusterung (von Bergemann et al. 2014 ). Wie Sie sehen können, hat sich der Eisengehalt in den letzten 10 Milliarden Jahren nicht allzu sehr verändert.

Ich denke, der Schlüssel dazu ist, dass die meisten schweren Elemente im Gas unserer Galaxie von Sternen stammen, die massereicher sind als die Sonne und die daher eine viel kürzere Lebensdauer haben. [Stellare Lebensdauer ist ungefähr proportional zu$M^{-2.5}$]. Mehrere "Generationen" von diesen haben also gelebt und sind gestorben (und müssen es getan haben).

Um etwas mehr Details hinzuzufügen. Fast alle Elemente, die schwerer als Helium sind (als „Metalle“ bekannt), werden im Inneren von Sternen produziert. Um wieder in das ISM zu gelangen, muss man das "verarbeitete" Material aus den Zentren der Sterne holen. Dies geschieht grundsätzlich auf drei Arten. (i) Supernovae – die Explosionen, die mit dem endgültigen Kollaps sehr massereicher Sterne verbunden sind ($>10 M_{\odot}$). Die Supernova-Vorläufer haben ein kurzes Leben$<50$Millionen Jahren können so viele Generationen solcher Sterne gelebt haben und gestorben sein, bevor die Sonne entstand, und wahrscheinlich in der Größenordnung von einigen hundert Millionen bis zu einer Milliarde. (ii) Riesensternwinde. Diese treten gegen Ende des Lebens von Sternen mit einer Masse von auf$<10M_{\odot}$. Ein Teil des verarbeiteten Materials wird aus dem Zentrum ausgebaggert und in das ISM ausgestoßen. Die Lebensdauer dieser Sterne beträgt 50 Millionen to$>10$Milliarden Jahre. Der größte Teil der Anreicherung wird durch Sterne etwa in der Mitte dieses Bereichs verursacht. Diese Sterne verblassen als Weiße Zwerge. (iii) Supernovae vom Typ Ia. Durch Massentransfer ausgelöste Explosionen auf einen Weißen Zwerg (wahrscheinlich in binären Systemen), die eine Detonation und die Streuung von Metallen in das ISM verursachen. Vorläufer haben ähnliche Lebenszeiten wie die Riesensterne in (ii).

Wenn Sie sich das Farbschema des obigen Diagramms genau ansehen, werden Sie feststellen, dass alte Sterne ein höheres Verhältnis von Magnesium zu Eisen aufweisen. Dies unterstützt die Ideen im obigen Absatz. Magnesium ist ein Alpha-Einfangelement, das hauptsächlich in kurzlebigen massereichen Sternen produziert wird und durch Typ-II-Supernovae in das interstellare Medium gelangt. Umgekehrt, obwohl Eisen auch in massereichen Sternen produziert wird, wird es hauptsächlich in Typ-Ia-Supernovae produziert und verteilt, die viel langlebigere Vorläufer haben. Daher erfolgt die Mg-Anreicherung in der frühen Milchstraße schneller als die Fe-Anreicherung.

Die Anzahl der Weißen Zwerge, die wir in der Galaxie sehen, und die abgeleitete Rate der auftretenden Supernova-Explosionen (z. B. aus der Zählung der Anzahl der Überreste von Neutronensternen) stimmen auch mit dem überein, was erforderlich ist, um die Metallizität des ISM und der Sonne zu erzeugen. Aber es gibt viele Variablen und Unbekannte und nicht alles ist gelöst. Zum Beispiel sieht es sehr wahrscheinlich aus, dass die Sternentstehung in der Vergangenheit höher sein musste; und einige Teile der Galaxie (z. B. der Bulge) haben eine höhere Metallizität, von der angenommen wird, dass sie auf eine Periode sehr heftiger Sternentstehung mit hoher Masse vor 10 Milliarden Jahren zurückzuführen ist.