金屬量是天文學和物理宇宙學中的一個術語，指恒星內部除氫和氦外其他化學元素的比例。這一概念與日常生活中所說的“金屬”不同，在宇宙中，氫和氦占據了絕大部分，因此天文學家將所有更重的元素統稱為金屬。金屬量的變化反映了恒星的年齡信息。宇宙初期主要由氫原子構成，通過太初核合成產生了大量氦和微量鋰。最早的恒星，即第三星族星，不含任何金屬。這些恒星質量極大，短時間內通過核合成生產了周期表中比鐵輕的元素，隨后通過超新星爆發將其散播到宇宙中。盡管尚未直接觀測到第三星族星，但它們存在于主流的宇宙起源模型中。隨著一代代恒星的誕生和死亡，金屬量不斷增加。最年輕的恒星，如太陽，屬于第一星族星，具有最高的金屬量。銀河系中央的金屬量最高，向外圍逐漸降低。大型星系相對于小型星系擁有更高金屬量。圍繞銀河系的兩個小不規則星系，大麥哲倫星系的金屬量約為銀河系的40%，小麥哲倫星系的金屬量約為銀河系的10%。
理論
金屬量可能是判斷天體年齡的重要線索。據大霹靂理論，宇宙最初幾乎全部由氫原子組成，通過太初核合成形成了大量氦和微量鋰。第一批恒星，即第三星族星，完全沒有金屬。這些恒星質量異常龐大，生命周期短暫，通過核合成生產了周期表中比鐵輕的元素，隨后通過超新星爆發將其散播到宇宙中。盡管尚未直接觀測到第三星族星，但它們存在于主流的宇宙起源模型中。新一代恒星在前一代恒星死亡釋放的物質中形成，其中最古老的恒星，即第二星族星，含有極少的金屬。后續幾代恒星在前幾代恒星生產的富含金屬的塵埃中誕生，金屬含量逐漸增加。當這些恒星死亡時，它們通過行星狀星云或超新星將更多的金屬返回到星際介質中，使得新生恒星的金屬含量更加豐富。最年輕的恒星，包括我們自己的太陽，屬于第一星族星，具有最高的金屬量。
分布規律
在整個銀河系中，金屬量呈現出從銀心向外逐漸減少的趨勢。這與恒星密度有關：星系中心的恒星密度較高，隨著時間的推移，越來越多的金屬回歸到星際介質中，成為新恒星的原材料。同樣，較大星系的金屬量普遍高于較小星系。以環繞銀河系的兩個不規則星系為例，大麥哲倫星系的金屬量約占銀河系的40%，而小麥哲倫星系的金屬量僅占約10%。
第一星族星
第一星族星，又稱富金屬星，是年輕的恒星，具有最高的金屬量。太陽就是這類恒星的一個例子，它們通常位于銀河系的旋臂中。最年輕的恒星，即極端的第一星族星，往往位于星系邊緣，而太陽則處于第一星族星的中間位置。第一星族星沿著銀心的橢圓軌道運動，相對速度較低。由于其高金屬量，它們更適合形成行星系統，尤其是類地行星，這些行星由富含金屬的吸積盤形成。在第一星族星和第二星族星之間，存在著過渡的星盤星族。
第二星族星
第二星族星，又稱貧金屬星，含有相對較少的金屬。理想情況下，除了氫和氦外，所有元素的含量都應該顯著低于富金屬天體。盡管自大霹靂以來已有137億年的歷史，金屬在宇宙總化學元素中的占比仍然很小。然而，貧金屬天體更為原始，它們在宇宙早期形成。它們通常出現在星系中心的核球區域，以及星系暈的星暈區，后者是更古老、金屬含量更低的恒星聚集地。球狀星團中也包含了大量的第二星族星。人們普遍認為，第二星族星創造了周期表中除不穩定元素外的所有其他元素。科學家們使用多種探測方法，包括Timothy C. Beers等人開發的HK物鏡棱鏡探測技術，以及Norbert Christlieb等人實施的漢堡-ESO觀測項目，成功觀測到了一些最古老的恒星，其中包括CS22892-052、CS31082-001、BD +17° 3248，以及已知最古老的恒星HE0107-5240、HE1327-2326、HE1523-0901。
第三星族星
第三星族星，又稱無金屬星，是一種理論上存在的星族，它們在宇宙早期可能存在，極度熾熱且不含金屬。這些恒星從未被直接觀測到，但可以通過研究極其遙遠的引力透鏡星系獲得間接證據。它們也被認為是暗藍星系的一部分。第三星族星的存在基于這樣一個事實：大霹靂不可能產生重元素，但在觀測到的類星體發射光譜中，特別是在暗藍星系中，確實發現了重元素。第三星族星被認為是引發再電離時期的關鍵因素。現有的理論并未明確指出第一顆恒星是否極為巨大。一項通過計算機模擬驗證的恒星形成理論表明，大霹靂沒有產生任何重元素，但容易形成質量遠超現有恒星的大質量恒星。第三星族星的典型質量是幾百個太陽質量，遠超過現有恒星。通過對貧金屬量的第二星族星的研究，推測第三星族星所產生的金屬質量在10至100倍太陽質量之間，這也解釋了為什么尚未觀測到不含金屬的恒星。然而，這些理論的驗證需要等待NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡收集更多數據。新的光譜儀巡天項目，如SEGUE或SDSS-II，也有望發現第三星族星。當前，能夠形成的最大質量恒星是150倍太陽質量。質量更大的原恒星在初始核反應開始時會噴射出一部分質量。在沒有足夠的碳、氧或氮的情況下，無論何種情況，CNO循環都無法發生，而且直接進行質子-質子鏈反應的核聚變反應速率不足以產生足夠的能量支持如此巨大的物體。因此，恒星將無法抵抗引力坍縮，迅速自我毀滅，最終結果是沒有經歷發光過程就直接坍縮成黑洞。這是天文學家認為第三星族星特別神秘的原因——所有的跡象都表明它們應該存在，但只能通過類星體的觀測來證明這一點。
參考資料 >
恒星的分類.豆丁網.2024-08-15