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Die Metallizität, d. h. die Metallhäufigkeit, ist eine in der Astrophysik gebräuchliche Bezeichnung für die Häufigkeit der schweren chemischen Elemente in Sternen.

Als „Metalle“ werden dabei, abweichend von der chemischen Bedeutung dieses Begriffes, meist alle Elemente außer Wasserstoff und Helium bezeichnet, seltener die Elemente ab Kohlenstoff, also ab einer Kernladungszahl von sechs.

Entstehung schwerer Elemente

Die schweren Elemente wurden im Universum erst durch Kernreaktionen in Sternen gebildet (die Nukleosynthese), deswegen hängt die Metallizität eng mit der Entstehungszeit eines Sternes zusammen:

• Sterne mit niedriger Metallizität (Population II) sind in einem früheren Entwicklungsstadium des Universums entstanden, als erst wenige „Metalle“ vorhanden waren.
• Sterne mit hoher Metallizität (Population I) sind zu einem späteren Zeitpunkt aus der mit schweren Elementen angereicherten „Asche“ früherer Sternengenerationen entstanden.

Die Elemente Lithium, Beryllium und Bor, zwischen Helium und Kohlenstoff, kommen in sehr geringen Konzentrationen in Sternatmosphären vor. Sie können nicht aus Sternen stammen, denn sehr viel schnellere Syntheseschritte zerstören sie gleich wieder. Sie stammen – außer dem kosmologischen Anteil von Lithium-7 – aus der Spallation schwererer Elemente durch kosmische Strahlung im interstellaren Gas.

Ermittlung

Relative Werte: bezogen auf die Sonne

Als Maß für die Metallizität eines Sterns wird zunächst häufig nicht die Masse, sondern die Teilchenzahl ${\displaystyle N}$ seiner schweren Elemente auf die des Wasserstoffs bezogen; diese relative Elementhäufigkeit kann aus den gemessenen Stärken der Absorptionslinien von Eisen und Wasserstoff ermittelt werden. Für normale Hauptreihensterne wird die relative Elementhäufigkeit dann als logarithmiertes Verhältnis mit der entsprechenden Häufigkeit der Sonne verglichen (normiert), da sich die Elemente gleichförmig im Universum anreichern:

${\displaystyle {\text{Metallizität}}[\mathrm {Fe} /\mathrm {H} ]=\lg {\left({\frac {N_{\mathrm {Fe} }}{N_{\mathrm {H} }}}\right)}\underbrace {-\lg {\left({\frac {N_{\mathrm {Fe} }}{N_{\mathrm {H} }}}\right)_{\odot }}} _{-(-4,5)=+4,5(s.u.)}}$

Nach dieser Formel

• hat die Sonne (Index ${\displaystyle _{\odot }}$) definitionsgemäß eine Metallizität von 0,
• enthalten Sterne mit einer positiven Metallizität relativ mehr Eisen als die Sonne und sind damit jünger,
• enthalten Sterne mit einer negativen Metallizität relativ weniger Eisen als die Sonne und sind damit älter.

Absolute Werte

Das oben verwendete Teilchenzahl-Verhältnis zwischen Eisen- und Wasserstoff-Atomen in der Sonne beträgt:

${\displaystyle \left({\frac {N_{\mathrm {Fe} }}{N_{\mathrm {H} }}}\right)_{\odot }\approx {\frac {1}{31000}}\approx 0{,}0032\,\%}$, was einem logarithmierten Wert von −4,5 entspricht (${\displaystyle 0{,}0032\,\%\approx 10^{-4{,}5}}$).

Daher liegt der Massenanteil des Eisens an der Sonnenmasse bei ca. 0,16 %.[1]

Anhaltspunkte für das Alter der Hauptreihensterne[2]

Alter (109 Jahre)	Verhältnis Fe/H der		lg X	lg X − lg X☉	Bemerkung
	Masse	Atome X
11,75	0,04 %	0,0008 %	−5,114	−0,619
04,57	0,16 %	0,0032 %	−4,500	0	Sonne
02,40	0,40 %	0,0077 %	−4,114	0,381
01,45	0,80 %	0,0154 %	−3,813	0,682
00,90	2,00 %	0,0385 %	−3,415	1,080
00,55	5,00 %	0,0962 %	−3,017	1,478

Für chemisch pekuliäre oder bereits von der Hauptreihe weg entwickelte Sterne gilt das allgemeine Häufigkeitsmuster nicht mehr.

Populationen

Die Metallizität liegt bei Sternen unserer Galaxis etwa zwischen −5,6 und +1 (angegeben jeweils als ${\displaystyle \lg {\left({\tfrac {N_{\mathrm {Fe} }}{N_{\mathrm {H} }}}\right)}}$, d. h. nicht bezogen auf die Sonne), wobei nur die ältesten Sterne der Population II einen Wert im Bereich −5 erreichen und nur wenige von ihnen bekannt sind:

• Langjähriger Spitzenreiter war der Stern CD−38°245, dessen Metallizität 1984 mit −4,0 bestimmt wurde. Diese bedeutet, dass sein Gehalt an Eisen 10.000-mal kleiner ist als der der Sonne.
• 2002 wurde mit HE 0107-5240 ein Stern mit einer Metallizität von −5,2 entdeckt,
• bald darauf der Stern HE 1327-2326 mit einem Wert von −5,4, was einen Eisengehalt von einem 250.000stel des solaren Wertes bedeutet. Allerdings enthält dieser Stern überraschenderweise einen sehr großen Anteil an anderen Elementen wie Natrium, Magnesium, Titan und vor allem Strontium.
• Der Stern SDSS J102915+172927 (relative Magnitude 16,9) scheint nahezu metallfrei zu sein. Das Fehlen von Lithium wird mit der hohen Temperatur des Sterns erklärt.[3]
• Die Metallizität von Eisen in SMSS J031300.36-670839.3 ist geringer als −7,1.

Üblicherweise werden bei solchen Sternen zur Altersbestimmung und Kategorisierung auch die Häufigkeiten anderer Elemente wie Thorium, Uran, Iridium und Kohlenstoff ermittelt.[4]

Literatur

• Bradley W. Carroll, Dale A. Ostlie: An Introduction to Modern Astrophysics. Addison-Wesley, Reading MA u. a. 1996, ISBN 0-201-54730-9, S. 920f. (International Edition. Nachdruck. ebenda 2005, ISBN 0-321-21030-1).

Weblinks

• ESO: Ein Stern, den es gar nicht geben dürfte 31. August 2011

Einzelnachweise

1. Eisen ist ca. 56-mal so schwer wie Wasserstoff
2. EVOLVED STELLAR POPULATIONS
3. The Star That Should Not Exist
4. Anna Frebel: Auf der Spur der Sterngreise. In: Spektrum der Wissenschaft. September 2008, S. 24–32

На других языках

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- [de] Metallizität

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[en] Metallicity

In astronomy, metallicity is the abundance of elements present in an object that are heavier than hydrogen and helium. Most of the normal physical matter in the Universe is either hydrogen or helium, and astronomers use the word "metals" as a convenient short term for "all elements except hydrogen and helium". This word-use is distinct from the conventional chemical or physical definition of a metal as an electrically conducting solid. Stars and nebulae with relatively high abundances of heavier elements are called "metal-rich" in astrophysical terms, even though many of those elements are nonmetals in chemistry.

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[es] Metalicidad

La metalicidad es el concepto astrofísico que se utiliza para describir la abundancia relativa de elementos más pesados que el helio en una estrella. Esos elementos reciben el nombre de metales independientemente de su posición en la tabla periódica.

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[ru] Металличность

Металли́чность (в астрофизике) — относительная концентрация элементов тяжелее водорода и гелия в звёздах или иных астрономических объектах. Бо́льшая часть барионной материи во Вселенной находится в форме водорода и гелия, поэтому астрономы используют слово «металлы» как удобный термин для обозначения всех более тяжёлых элементов. Например, звёзды и туманности с относительно высоким содержанием углерода, азота, кислорода и неона в астрофизических терминах называются «богатыми металлами». При этом с точки зрения химии многие из этих элементов (в частности, перечисленные углерод, азот, кислород и неон) металлами не являются. Металличность используется, к примеру, для определения поколения и возраста звёзд[1].

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