Warum kann jetzt kein Quasistern existieren?

Gaswolken mit Massen viel höher als$10^3\,M_\odot$sind in Galaxien reichlich vorhanden; die typischen Sternentstehungswolken (die sogenannten Molekülwolken ) haben Massen von$10^3\,M_\odot$zu$10^7\,M_\odot$. Wenn Quasisterne (hypothetische Sterne, die nicht durch Kernfusion, sondern durch Akkretion auf ein zentrales Schwarzes Loch angetrieben werden) heute nicht existieren können, liegt das daran, dass alles Gas im Universum mit Metallen verunreinigt wurde.

Sterne entstehen aus kollabierenden Gaswolken. Damit ein Wolkenbereich kollabieren kann, muss er ausreichend dicht und ausreichend kühl sein; ist es zu verdünnt, fehlt die Schwerkraft, und ist es zu heiß, wirkt die Energie der einzelnen Atome dem Kollaps entgegen und lässt die Atome entweichen.

Masse der Jeans

Dieses Kriterium wird in der Jeans-Instabilitätsgleichung erfasst . Die Beziehung kann auf verschiedene Weise ausgedrückt werden; Eine Möglichkeit ist zu sagen, dass die Masse der Wolke – oder ein kleiner Bereich davon – die "Jeans-Masse" überschreiten muss:

Aus dieser Gleichung sehen Sie, dass die Schwelle umso kleiner ist, je kühler das Gas ist. Mit anderen Worten, die kleineren Sterne, die Sie bilden können. Wenn das Gas nicht abkühlen kann, kollabieren nur die größten Klumpen, und daher werden solche Sterne sehr massereich sein.

Gaskühlung

Wie kühlt das Gas also ab? Heißes Gas bedeutet, dass die Teilchen große Geschwindigkeiten haben. Wenn die Teilchen kollidieren, können sie sich gegenseitig anregen und ein Elektron auf Kosten einer Verlangsamung – dh Kühlung – in einen höheren Zustand bringen. Bei der Abregung des Elektrons wird ein Photon emittiert, das das System verlassen kann. Dadurch wird die kinetische Energie der Atome in elektromagnetische Energie umgewandelt, die entweicht.

Ein Elektron wird jedoch nur dann angeregt, wenn die Energie des Stoßes der für die Anregung benötigten Energie nahe kommt. Wenn die Kollisionsenergie zu hoch oder zu niedrig ist, prallen die Atome einfach voneinander ab und behalten ihre Gesamtenergie bei (obwohl eines etwas Energie auf das andere übertragen kann).

Die Wirkung von Metallen

Besteht das Gas nur aus Wasserstoff und Helium, stehen nur wenige Energien zur Anregung zur Verfügung. Wasserstoff ist in der Lage, effizient zu kühlen$T\sim10^4\,\mathrm{K}$, während Helium effizient herum kühlt$T\sim10^5\,\mathrm{K}$, aber bei anderen Temperaturen neigt das Gas dazu, auf seiner gegebenen Temperatur zu bleiben.

Sobald jedoch einige Metalle vorhanden sind, ermöglichen die vielen Elektronen dieser Metalle mit ihren vielen möglichen Übergängen die Anregung von Atomen mit vielen möglichen Energien. So kommt eine Gaswolke vor$M\sim10^3\,M_\odot$kollabiert zu a$10^3\,M_\odot$Stern, wird er in kleinere Stücke zersplittern und kleinere Sterne bilden.

Wenn Sie einen sehr massiven Protostern bauen, mehr als tausend Sonnenmassen, dann ist es möglich, dass der Kern des Protosterns direkt zu einem Schwarzen Loch kollabiert, während er noch von einer massiven Hülle umgeben ist. Der Zusammenbruch erfolgt "von innen nach außen", so dass die Hülle langsamer zusammenfällt. Es gibt jedoch eine maximale Geschwindigkeit, mit der Schwarze Löcher wachsen können, da das komprimierende Material sehr heiß wird und viel Strahlung abgibt und der Strahlungsdruck den Kollaps (vorübergehend) aufhalten kann. Dies ist ein Quasi-Star.

Der Schlüssel zu einem Quasi-Stern ist seine große Anfangsmasse, die verhindert, dass die Hülle durch die anfängliche Energiefreisetzung während der Entstehung des Schwarzen Lochs „weggeblasen“ wird. Solche massiven Protosterne können im frühen Universum nur aus unberührtem Material gebaut werden. Ist das Material mit schwereren Elementen belastet, kann es leichter abkühlen – die schwereren Atome können Moleküle bilden und Energie abstrahlen. Diese Abkühlung lässt eine große Wolke in viel kleinere Teile zersplittern, so dass im heutigen Universum der Zusammenbruch einer so großen Wolke nicht zu einem massiven Protostern, sondern zu einer Ansammlung kleinerer Protosterne führen würde.

Die Zugabe von Metallen (dh Elementen, die schwerer als Helium sind) zu einem Sterngemisch macht es weniger durchlässig für Strahlung. Grundsätzlich haben Wasserstoff und Helium relativ einfache und nicht überfüllte Spektren, aber die "Metalle" fügen viele neue Spektrallinien hinzu und die Mischung absorbiert viel mehr Licht und wird dadurch effizienter erhitzt und nimmt auch mehr Schwung davon auf.

Das Gas im frühen Universum hatte dann weniger Metalle und wurde daher weniger von der Strahlung eines kondensierenden neuen Sterns beeinflusst. Folglich konnte der Stern zu einer höheren Masse wachsen, bevor seine Strahlung den Zufluss von Gasen unterbrach, was ihm das Wachstum ermöglichte. (Heute liegt die Obergrenze für die Sternentstehung bei etwa 100 Sonnenmassen; mit einer Mischung aus H und He allein scheint sie bei 250 Sonnenmassen zu liegen.) Siehe den Wikipedia-Artikel für eine gute Erklärung. Diese supergroßen Sterne werden benötigt, um einen Quasistern zu bilden, und können sich nur aus unbeschmutztem H/He bilden. Quasisterne (falls es sie überhaupt gibt) konnten sich also nur sehr früh in der Evolution des Universums bilden.