对于天文学家来说，金属是什么？（提示 - 它不是 AC/DC！）

2024 年 3 月 27 日：在 BINTEL 我们经常被问到的一个问题是，我用望远镜能看到的最远的东西是什么，还有一个不太常被问到的问题——“我能看到最古老的东西是什么，我们怎么知道它有多老？”

目前，夜空中已知最古老的恒星可能位于银河系中，距离我们相对较近，甚至可以用双筒望远镜看到！

但我们如何知道它有多老呢？首先，让我们从天文学的角度来谈谈金属。

每个人对“金属”的定义都不同。我生长在悉尼内西区郊区，所以我的第一反应是“AC/DC”，但并不是每个人都同意。（那里也有很多 Metallica 的粉丝……）

我们在日常生活中见到金属时，也会认识它们。汽车由金属制成，电线中的铜用于传输电力，喷气式飞机的发动机使用钛，我们喝的饮料用的是铝罐。我们周围都是金属，我们知道金属是什么。

天文学家对金属的看法则不同。你可能会听到他们谈论恒星是“富含金属”还是“缺乏金属”，甚至谈论“恒星的金属丰度”。

这就是他们所指的，另外我们还将讨论宇宙中已知最古老的恒星之一，它恰好位于我们的银河系后院。

稍微往后退一点......（实际上，非常大一点！）

大爆炸在初始冷却后基本上产生了两种最简单的可观测元素 - 大量的氢和一些氦。（以及少量其他较轻的元素。）

宇宙微波背景 (CMB)。宇宙中最古老的光的快照，宇宙诞生时只有大约 38 万年，它就印刻在天空中。图片来自 ESA 和普朗克合作组织。

即使经过数十亿年，可见宇宙中仍有约 73% 是氢，25% 是氦。可见宇宙的其余部分（约 2%）是所有其他元素的总和。这 2% 由从锂开始的所有其他元素组成，包括氧气和氮气在内的所有其他气体，一直到铀等超重元素。

天文学家使用“金属”一词来指代我们所能观察到的 2% 并非大爆炸后遗留下来的物质。

有时你会听说我们是由“星尘”构成的，但这是什么意思呢？如果不是来自宇宙大爆炸，我们呼吸的空气中的氧气和氮气、我们身体中的碳和播放电缆中的铜是从哪里来的呢？

我们从恒星中看到的所有能量，无论是古老的星光还是白天的阳光，都来自核心的核聚变。氢和氦等较轻的元素在极端压力和温度下被挤压在一起。这一过程*将较轻的元素转化为较重的元素，在此过程中，一小部分物质也转化为能量。

所有其他元素都是通过为恒星提供能量的核聚变过程在恒星中形成的。

第一代恒星是由大爆炸遗留下来的原始气体形成的。这意味着它们仅由氢、一些氦和微量的锂组成。这些第一批恒星很可能比太阳大。我们还知道，大质量恒星的寿命很短，可能只有几百万年。这意味着这些在宇宙历史早期形成的古老恒星——我们称之为“第三族”恒星——很可能早已不复存在，从未被直接观测到。**它们不含任何“金属”——除了氢和氦之外的任何东西。

为什么？原因很简单，因为早期宇宙中还不存在其他物质。当天文学家谈论恒星中除了氢、氦或金属之外的物质的含量时（并使用金属度等术语），他们谈论的是恒星中有多少是由大爆炸留下的气体形成的，又有多少是由前几代恒星形成的。

老恒星的物质是如何进入年轻恒星的？

正常恒星在聚变过程中可以产生直至铁 (Fe) 的元素，但为了产生比这更重的元素，需要发生一种不同且壮观的事件来产生剩余的更重的元素 - 即超新星。

在恒星的生命周期中，向内的重力压力和向外的能量压力大致保持平衡。当恒星到达其生命的尽头时，由于“燃料”被燃烧殆尽，恒星会稍微冷却，能量不足以克服重力，它会迅速坍缩，然后爆炸。

（我们的太阳还不够大，不足以发生超新星爆炸。）

这是大质量恒星的最后一次爆炸，它不仅释放出巨大的能量，而且还将这些物质抛射到星际空间，然后它们成为后代恒星和行星的一部分，甚至最终成为我们用来播放 AC/DC 音乐的扬声器电缆。

早期、寿命短的第三星族***恒星会以超新星的形式结束生命。这些超新星爆炸将产生的较重元素散布到星际空间，在那里它们成为后代恒星形成物质的一部分。

当恒星爆炸并且其残余物结合成后代恒星时，通过观察它们的光谱和分析其内部成分，我们可以确定它们的年龄、可能的寿命等等。

我们今天所见的最古老的恒星被称为第二族恒星，它们是由星际介质中的气体和第三族恒星爆炸产生的一些元素形成的。它们中会含有一些“金属”，但数量极少。第二族恒星随后在它们自己的生命终结超新星事件中进一步扩散元素。

总结：

天文学家使用“金属”一词来表示大爆炸后未遗留的元素，这些元素是在恒星中产生的。恒星的金属含量或金属性可以指示其年龄。

主要有三组恒星：

• 第三族恒星——理论上存在的恒星，由大爆炸的残余物形成，并在整个宇宙中分布较重的元素。
• 第二星族恒星 - 含有金属元素的古老恒星，因为它们形成时宇宙中金属元素很少。玛土撒拉星就是第二星族恒星。
• 第一星族恒星 - 由大爆炸残余物形成的富含金属的恒星，金属来自第二星族超新星。我们的太阳是第一星族恒星。

回顾我们能看见的最古老的恒星，它是一颗名为 HD 140283 或“玛土撒拉星”的小行星，距离我们约 200 光年。如果您想看看它在天空中的位置，请单击此处在 Stellarium 中查看，然后按 + 按钮放大。它足够明亮，可以用双筒望远镜观看。它是一颗第二族恒星，金属含量非常低 - 祝您现在知道这意味着什么 - 并且包含一些由第三族恒星产生的元素。