¿Se están volviendo las estrellas más ricas en metales, menos masivas y de vida más corta con el tiempo cósmico?

Hay muchas preguntas aquí, tomémoslas una a la vez.

¿Se están volviendo las estrellas menos masivas como resultado de la fusión nuclear?

Sí. Si una estrella tiene una luminosidad$L$entonces esto corresponde a un cambio de masa$c^2 dM/dt$. para el sol$L = 3.83\times10^{26}$W, por lo que el Sol se está volviendo menos masivo a un ritmo de 4 millones de toneladas por segundo. Sin embargo, durante la vida de la secuencia principal del Sol de$10^{10}$años, esto equivale a una disminución de sólo$6.7\times 10^{-4}$masas solares. Las etapas posteriores de la quema nuclear dan como resultado un Sol más luminoso, pero estas fases también son mucho más cortas, por lo que el efecto general sobre la masa del Sol es similar.

Por el contrario, el viento solar tiene una tasa de pérdida de masa de$\sim 2 \times 10^{-14}$ $M_{\odot}$/año (pero puede haber sido mucho más fuerte en el pasado). Esto significa que la masa perdida en un viento y la masa perdida por fusión nuclear son comparables durante el tiempo de vida de la secuencia principal. Sin embargo, en etapas posteriores de la vida del Sol, perderá algunas décimas de masa solar durante las fases de rama gigante roja y gigante asintótica debido a un viento polvoriento impulsado por la radiación.

Algo similar ocurre con la mayoría de las estrellas: promediando a lo largo de su vida, la masa perdida en la fusión nuclear es insignificante en comparación con la pérdida de masa que experimentan como resultado de la pérdida directa de los vientos estelares, y también es una fracción muy pequeña (menos del 0,1 %). de la masa original de la estrella.

¿Las estrellas se vuelven menos masivas en promedio con el tiempo?

Posiblemente, pero es muy difícil saberlo. Cuando observamos las antiguas poblaciones de estrellas, no contienen estrellas masivas porque han vivido y muerto. Pero supongo que lo que quieres decir es si el espectro de masas en el nacimiento de estrellas se desplaza hacia masas más bajas.

Ciertamente, existe evidencia teórica de que las primeras estrellas pobres en metales podrían construirse para tener masas muy altas, las llamadas estrellas de población III. Una vez que los metales están presentes en el gas, la presión de radiación debida a la opacidad del gas impide la construcción de estructuras muy masivas ($>200 M_{\odot}$) estrellas.

Más abajo en el espectro de masas, la evidencia de cualquier variación en la llamada "función de masa inicial" con el tiempo es débil o está ausente. La conclusión de una gran revisión de Bastian, Covey y Meyer (2010) es que no hay evidencia de ninguna variación "a lo largo del tiempo cósmico".

¿Se están volviendo más ricas en metales las estrellas?

Sí. Todos los elementos más pesados ​​que He (trazas de barra de Li y Be) se producen principalmente dentro de las estrellas. Por lo tanto, el "ciclo ecológico" estelar de nacimiento y muerte da como resultado un aumento general en la riqueza de metales del medio interestelar y, por lo tanto, de las estrellas que luego se producen. Para comprender exactamente la velocidad a la que esto ocurre se requiere un "modelo de evolución química galáctica" complejo.

Resulta que la mayor parte del aumento de la metalicidad (en nuestra galaxia) ocurrió muy temprano, hace entre 8 y 12 mil millones de años; cuando la tasa de formación de estrellas era mucho más alta y la tasa de producción de estrellas masivas y supernovas era probablemente un orden de magnitud más alta de lo que es ahora. Como resultado, la tasa de aumento de la metalicidad ahora es mucho menor. El Sol de 4.500 millones de años tiene una metalicidad similar a las estrellas que se están produciendo en el vecindario solar en este momento.

También pongamos esto en contexto. Incluso después de unos 12.000 millones de años de formación estelar y muerte estelar, la metalicidad del medio interestelar aún consiste solo en el orden del 2% en masa de elementos más pesados ​​que el helio.

¿Mueren más jóvenes las estrellas ricas en metales?

No, todo lo contrario. Con una masa fija, se puede demostrar que la luminosidad en la secuencia principal se relaciona con la fracción de masa metálica$Z$, como$L \propto Z^{-1/6}$. Es decir, las estrellas de alta metalicidad tienen una luminosidad más baja que las estrellas más pobres en metales de la misma masa. Como el suministro de combustible está dominado por el hidrógeno, y como fracción de masa es muy similar tanto en las estrellas ricas en metales como en las pobres en metales, la vida útil de las estrellas ricas en metales es más larga. por ejemplo, véanse las Figs. 1 y 2 de este artículo de Bazan & Mathews (1990) .

En primer lugar, tiene razón al suponer que las estrellas perderán masa a medida que pase el tiempo. Sin embargo, la densidad de una estrella no será constante en su línea de tiempo estelar. El tamaño de una estrella depende de varios factores: temperatura, densidad, composición, etc. Por lo tanto, sería difícil responder a su pregunta sin restricciones. En segundo lugar, también tiene razón al afirmar que las estrellas serán más "ricas en metales". Los astrónomos han encontrado tanto por observación como por cálculo que las estrellas se volverán más ricas en metales (es decir, su metalicidad aumentará) a medida que pasa el tiempo.

Bueno, las estrellas pierden masa a lo largo de su vida. Y durante el transcurso de la vida de una estrella, pasará por varias etapas generando materiales más pesados.

Sin embargo, hay una masa mínima para una estrella. Por debajo de esta masa, la estrella no alcanza temperaturas lo suficientemente altas como para iniciar la fusión nuclear. Los objetos por debajo de esta masa crítica se denominan "enanas marrones".

No tengo conocimiento de ningún estudio que haya mostrado una disminución general en la masa estelar a medida que el universo envejece. Apostaría a que queda suficiente hidrógeno y helio para encender estrellas bastante masivas.