¿Cómo puede una estrella de Población III tener una masa de varios cientos de masas solares? Normalmente el límite es de unas 100 masas solares.
Creo que realmente hay tres preguntas que deben responderse para que esto tenga sentido:
Una respuesta a la primera pregunta es engañosa. Esperamos que las estrellas grandes sean raras y que las estrellas más grandes sean las más raras. Además de esto, llevarán las vidas más cortas. Por lo tanto, obtener restricciones de observación ha sido complicado. Puede haber un límite en la cantidad de masa disponible para convertirse en estrellas cuando se forman. En cuanto a los límites "normales" en las masas de las estrellas, la mayoría (hasta donde yo sé) involucran inestabilidad pulsacional. Pero el reciente descubrimiento de estrellas masivas en y cerca del cúmulo R136a sugiere que las estrellas con masas superiores a 150 solares pueden formarse incluso en material que tiene un contenido de metal no despreciable. Entonces, si existe un límite "normal" es una pregunta abierta.
La segunda pregunta se entiende mucho mejor, gracias a mucho trabajo numérico. Tom Abel escribió recientemente un artículo para Physics Today que resume la comprensión actual de la formación de estrellas pop III. Básicamente, la cantidad más pequeña de gas inestable para colapsar por su propia gravedad, la Masa de Jeans , aumenta con la temperatura (como T 3/2). Entonces, cuanto más frío se vuelve el gas, más pequeños son los fragmentos que esperamos ver. ¿Qué determina qué tan frío puede volverse el gas? Los átomos y moléculas que irradian en su interior, y si esta radiación puede escapar. En el gas contaminado con metales, varias líneas atómicas y moleculares permiten que el gas se enfríe a decenas de K. En el material libre de metales, el refrigerante más efectivo (en términos de las bajas temperaturas que puede alcanzar) es el hidrógeno molecular, que solo enfriará a alrededor de 200 K. Esta es una temperatura más alta, por lo que esperamos fragmentos más masivos. ¡Esta es una gran simplificación! La situación realmente involucra dinámicas complejas, formación de choques y todo tipo de otras cosas. Incluso se discute la cuestión de si se puede formar o no hidrógeno molecular.
Finalmente, si se formara una estrella pop III masiva, ¿mantendría su masa? Sabemos que algunas estrellas masivas del universo local, como Eta Carinae , son bestias violentas. Este tipo de pérdida de masa pulsacional episódica podría estar presente en las estrellas Pop III, pero dado que dicha pérdida de masa es tan poco conocida, a menudo se ignora. En términos más generales, esperamos que los metales en las atmósferas de las estrellas masivas absorban suficiente radiación creada dentro de la estrella para ser expulsada por el viento. Nuevamente, no hay metales en el gas libre de metales, por lo que esperamos que este efecto sea mucho menor en las estrellas Pop III.
Por lo tanto, esperamos que las estrellas Pop III sean más grandes porque hay más gas disponible, porque el gas se fragmenta menos debido a su temperatura más alta y porque no creemos que las estrellas pierdan tanta masa como las estrellas modernas. ¡Y ni siquiera estamos seguros de que haya un límite en lo masivas que pueden ser las estrellas en primer lugar!
La clave, tal como la entiendo, es la metalicidad. El Big Bang produjo prácticamente nada por encima del helio, por lo que las estrellas Pop III y sus nubes HI ancestrales casi no tenían metales. El bosque de líneas de emisión producido incluso por una pequeña fracción de átomos de metal actúa para aumentar enormemente la eficiencia de enfriamiento de la nube. A la velocidad extrema de enfriamiento de las nubes modernas, las protoestrellas tienen muy poco tiempo para acumular masa, por lo que las nubes se dividen en muchas estrellas más pequeñas. Las nubes primordiales, sin embargo, se habrían enfriado mucho más lentamente que podrían mantener la integridad estructural el tiempo suficiente para formar menos estrellas mucho más masivas.