Становятся ли звезды более богатыми металлами, менее массивными и менее живущими с космическим временем?

Здесь много вопросов, давайте рассмотрим их по одному.

Становятся ли звезды менее массивными в результате ядерного синтеза?

Да. Если звезда имеет светимость$L$то это соответствует изменению массы$c^2 dM/dt$. Для Солнца$L = 3.83\times10^{26}$W, поэтому Солнце становится менее массивным со скоростью 4 миллиона тонн в секунду. Однако за время жизни Солнца на главной последовательности$10^{10}$лет, это означает уменьшение только$6.7\times 10^{-4}$солнечные массы. Более поздние стадии ядерного горения приводят к более яркому Солнцу, но эти фазы также намного короче, поэтому общее влияние на массу Солнца аналогично.

Напротив, солнечный ветер имеет скорость потери массы$\sim 2 \times 10^{-14}$ $M_{\odot}$/год (но, возможно, было намного сильнее в прошлом). Это означает, что масса, теряемая ветром, и масса, теряемая в результате ядерного синтеза, сравнимы в течение времени жизни главной последовательности. Однако на более поздних этапах жизни Солнца оно потеряет несколько десятых солнечной массы во время фаз красных гигантов и асимптотических ветвей гигантов из-за радиационно-направляемого пыльного ветра.

Нечто подобное справедливо и для большинства звезд: усредненная за их жизнь масса, теряемая при ядерном синтезе, ничтожно мала по сравнению с потерей массы, которую они испытывают в результате прямой потери от звездных ветров, и также составляет очень малую долю (менее 0,1%). исходной массы звезды.

Становятся ли звезды в среднем менее массивными со временем

Возможно, но очень трудно сказать. Когда мы смотрим на старые популяции звезд, то видим, что они не содержат массивных звезд, потому что они прожили свою жизнь и умерли. Но я предполагаю, что вы имеете в виду, смещается ли спектр масс при рождении звезды в сторону меньших масс?

Конечно, есть теоретические доказательства того, что самые ранние звезды с низким содержанием металлов могли иметь очень большие массы — так называемые звезды населения III. Когда в газе присутствуют металлы, радиационное давление из-за непрозрачности газа препятствует созданию очень массивных ($>200 M_{\odot}$) звезды.

Дальше по спектру масс доказательства каких-либо изменений так называемой «начальной функции масс» во времени слабы или отсутствуют. Вывод большого обзора Бастиана, Кови и Мейера (2010) состоит в том, что нет никаких доказательств каких-либо изменений «в космическом времени».

Звезды стали больше богатеть металлом?

Да. Все элементы тяжелее He (перемычки Li и Be) в основном образуются внутри звезд. Следовательно, звездный «экологический цикл» рождения и смерти приводит к общему увеличению металлического богатства межзвездной среды и, следовательно, образующихся звезд. Чтобы точно понять скорость, с которой это происходит, требуется сложная «модель галактической химической эволюции».

Оказывается, большая часть увеличения металличности (в нашей Галактике) произошла очень рано — между 8 и 12 миллиардами лет назад; когда скорость звездообразования была намного выше, а скорость образования массивных звезд и сверхновых была, вероятно, на порядок выше, чем сейчас. В результате скорость увеличения металличности теперь намного меньше. Солнце, которому 4,5 миллиарда лет, обладает такой же металличностью, что и звезды, которые рождаются в окрестностях Солнца прямо сейчас.

Давайте также поместим это в контекст. Даже после примерно 12 миллиардов лет звездообразования и звездной смерти металличность межзвездной среды по-прежнему состоит всего лишь на 2% по массе из элементов тяжелее гелия.

Звезды, богатые металлами, умирают раньше?

Нет, совсем наоборот. При фиксированной массе можно показать, что светимость на главной последовательности связана с массовой долей металла.$Z$, как$L \propto Z^{-1/6}$. т.е. звезды с высокой металличностью имеют более низкую светимость, чем звезды с меньшим содержанием металлов той же массы. Поскольку в топливе преобладает водород, а его массовая доля очень одинакова как у звезд, богатых металлами, так и у звезд с низким содержанием металлов, время жизни звезд, богатых металлами, больше. см., например, рис. 1 и 2 этой статьи Базана и Мэтьюза (1990) .

Во-первых, вы правы, полагая, что звезды со временем теряют массу. Однако плотность звезды далеко не постоянна на их звездной временной шкале. Размер звезды зависит от нескольких факторов: температуры, плотности, состава и т. д. Поэтому было бы трудно ответить на ваш вопрос, не имея ограничений. Во-вторых, вы также правы, утверждая, что звезды будут более «металлическими». Астрономы путем наблюдений и расчетов обнаружили, что звезды становятся более богатыми металлами (т.е. их металличность увеличивается) с течением времени.

Что ж, звезды теряют массу в течение своей жизни. И в течение жизни звезда пройдет несколько стадий образования более тяжелых материалов.

Однако существует минимальная масса звезды. Ниже этой массы звезда не достигает достаточно высоких температур, чтобы зажечь ядерный синтез. Объекты ниже этой критической массы называются «коричневыми карликами».

Мне неизвестны какие-либо исследования, показывающие общее уменьшение звездной массы по мере старения Вселенной. Могу поспорить, что водорода и гелия осталось достаточно, чтобы зажечь довольно массивные звезды.