Как звезда населения III может иметь массу в несколько сотен масс Солнца? Обычно предел составляет около 100 солнечных масс.
Я думаю, что есть три вопроса, на которые нужно ответить, чтобы это имело смысл:
Ответ на первый вопрос сложен. Мы ожидаем, что большие звезды будут редкими, а самые большие звезды будут самыми редкими. Кроме того, они проживут самую короткую жизнь. Таким образом, получить наблюдательные ограничения было сложно. Может существовать ограничение на количество массы, доступной для превращения в звезды при их формировании. Что касается «нормальных» пределов масс звезд, то большинство из них (насколько мне известно) связано с пульсационной неустойчивостью. Но недавнее открытие массивных звезд в скоплении R136a и рядом с ним предполагает, что звезды с массой более 150 солнечных могут формироваться даже в материале, в котором содержание металлов существенно. Так что вопрос о том, существует ли «нормальный» лимит, остается открытым.
Второй вопрос стал понятен намного лучше благодаря большой работе с числами. Том Абель недавно написал статью для Physics Today , в которой резюмирует текущее понимание формирования поп-звезд III. По сути, наименьшее количество газа, нестабильного для коллапса под действием собственной силы тяжести, масса Джинса , увеличивается с температурой (например, T 3/2). Таким образом, чем холоднее может стать газ, тем меньше фрагментов мы ожидаем увидеть. Что определяет, насколько холодным может стать газ? Атомы и молекулы, которые излучают внутри него, и может ли это излучение выйти наружу. В газе, загрязненном металлами, различные молекулярные и атомарные линии позволяют газу охлаждаться до десятков К. В материале, не содержащем металлов, наиболее эффективным хладагентом (с точки зрения низких температур, которых он может достичь) является молекулярный водород, который будет охлаждать только примерно до 200 К. Это более высокая температура, поэтому мы ожидаем более массивные фрагменты. Это грубое упрощение! Ситуация действительно включает в себя сложную динамику, формирование шока и все виды других вещей. Даже вопрос о том, может ли образовываться молекулярный водород, является спорным.
Наконец, если бы сформировалась массивная поп-звезда III, сохранила бы она свою массу? Мы знаем, что некоторые массивные звезды в локальной вселенной, такие как Эта Киля , являются жестокими зверями. Такая эпизодическая пульсирующая потеря массы может иметь место у звезд Pop III, но, поскольку такая потеря массы так плохо изучена, ее часто игнорируют. В более общем плане мы ожидаем, что металлы в атмосферах массивных звезд поглощают достаточное количество излучения, создаваемого внутри звезды, чтобы быть унесенными ветром. Опять же, в безметалловом газе нет металлов, поэтому мы ожидаем, что этот эффект будет намного меньше в звездах Pop III.
Таким образом, мы ожидаем, что звезды Pop III будут крупнее, потому что в них больше доступного газа, потому что газ меньше фрагментируется из-за его более высокой температуры, и потому что мы не думаем, что звезды теряют столько массы, сколько современные звезды. И мы даже не уверены, что есть предел тому, насколько массивными могут быть звезды!
Ключ, как я понимаю, это металличность. Большой взрыв не произвел практически ничего сверх гелия, поэтому звезды Pop III и их предки-облака HI почти не имели металлов. Лес эмиссионных линий, созданный даже крошечной долей атомов металла, чрезвычайно увеличивает эффективность охлаждения облака. При экстремальной скорости охлаждения современных облаков у протозвезд очень мало времени для накопления массы, поэтому облака распадаются на множество более мелких звезд. Однако первичные облака охлаждались бы намного медленнее, чтобы сохранять структурную целостность достаточно долго, чтобы сформировать меньшее количество более массивных звезд.