Звездная спектроскопия и распространенность элементов

Измеряя интенсивность спектральных линий и сравнивая их с моделями атмосфер, астрономы определяют содержание каждого химического элемента в звезде, превращая звездный свет в точный химический инвентарь.

Definition

Звездная спектроскопия — это количественный анализ звездных спектров для вывода физических и химических свойств, а определение распространенности элементов — это вывод количества химических элементов в атмосфере звезды по интенсивности ее спектральных линий.

Scope

Тема охватывает измерение интенсивностей спектральных линий посредством эквивалентных ширин и профилей линий, кривую роста, связывающую интенсивность линии с распространенностью элемента, определение металличности и соотношений элементов, роль модельных атмосфер и неравновесных поправок, а также использование распространенности элементов в звездах для отслеживания химической эволюции галактик.

Core questions

• Как измеряется распространенность элемента по спектру?
• Что такое кривая роста и как она используется?
• Что говорит нам металличность звезды?
• Как распространенность элементов отслеживает химическую историю Галактики?

Key concepts

• эквивалентная ширина
• кривая роста
• металличность
• отношение альфа-элементов
• модельная атмосфера
• не-ЛТР поправки
• химическая маркировка

Key theories

Анализ распространенности элементов и кривая роста

Эквивалентная ширина спектральной линии измеряет общее поглощение, которое она производит; кривая роста связывает это с количеством поглощающих атомов, позволяя определять распространенность элементов, как только известны температура, гравитация атмосферы и атомные данные.

Металличность и химическая эволюция галактик

Общее содержание металлов и соотношения таких элементов, как альфа-элементы к железу, фиксируют нуклеосинтетическую историю газа, из которого образовалась звезда, поэтому распространенность элементов в звездах реконструирует химическое обогащение звездных популяций и Галактики.

Mechanisms

Каждая линия поглощения удаляет свет пропорционально количеству поглощающих атомов вдоль луча зрения, модулированному температурой и давлением атмосферы. Моделируя атмосферу и атомный переход, измеренная интенсивность линии преобразуется в распространенность элемента; сравнение многих элементов у многих звезд затем позволяет картировать, как последовательные поколения звезд обогащали межзвездный газ.

Clinical relevance

Распространенность элементов в звездах является химическим ископаемым звездообразования: они датируют и маркируют звездные популяции, выявляют вклад различных источников нуклеосинтеза, калибруют солнечный состав, используемый в качестве космического эталона, и связывают звездо- и планетообразование с металличностью их исходного материала.

History

Количественный анализ распространенности элементов вырос из демонстрации Пейн доминирования водорода и разработки кривой роста Миннартом и Унсольдом; область развивалась с появлением сеток модельных атмосфер, спектрографов высокого разрешения и крупных обзоров, которые теперь измеряют распространенность элементов для миллионов звезд.

Debates

Содержание кислорода в Солнце и проблема солнечного моделирования

Пересмотренные, более низкие значения содержания кислорода в Солнце, полученные из трехмерного, неравновесного спектрального моделирования, противоречат составу, требуемому гелиосейсмологией, что является неразрешенным противоречием, известным как проблема солнечного содержания элементов, которая влияет на шкалы содержания элементов в целом.

Key figures

• Cecilia Payne-Gaposchkin
• Martin Schwarzschild
• Bengt Gustafsson
• Martin Asplund

Seminal works

• asplund2009
• nissen2018

Frequently asked questions

Что значит, что звезда бедна металлами?

В астрономии любой элемент тяжелее гелия называется металлом; звезда, бедная металлами, содержит меньше таких элементов по отношению к водороду, чем Солнце, обычно потому, что она образовалась рано из газа, который был обогащен лишь несколькими предыдущими поколениями звезд.

Насколько точно можно измерить распространенность элементов в звездах?

С помощью спектров высокого разрешения и тщательного моделирования относительная распространенность некоторых элементов может быть измерена с точностью до нескольких процентов, что достаточно точно для различения звезд, образовавшихся вместе, и для обнаружения тонких химических признаков формирования планет и истории галактик.