GALÁXIAS

Walter J. Maciel 
 
 FUNDAMENTOS 
 DE EVOLUÇÃO QUÍMICA 
 DA GALÁXIA 
 
Walter J. Maciel 
 
 FUNDAMENTOS 
 DE EVOLUÇÃO QUÍMICA 
 DA GALÁXIA 
2020 
 
] 
 
 
 
 
Ficha Catalográfica 
Elaborada pelo Serviço de Biblioteca e Documentação do 
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da USP 
 
 
 Maciel, Walter Junqueira 
 Fundamentos de evolução química da Galáxia. 
 Walter J. Maciel – São Paulo: IAG-USP. 2020. 
 310 p. 
 
 ISBN 978-65-88233-01-6  (e-book) 
 Acesso em; 
 www.astro.iag.usp.br/~maciel/teaching/teaching.html 
 www.iag.usp.br/astronomia/livros-e-apostilas 
 
 1.Galáxia 2. Evolução química da galáxia. I. Título. 
 CDD 523.112 
 
 
Versão 03.11.2020 
 
 
http://www.astro.iag.usp.br/~maciel/teaching/teaching.html
Para o grupo “We are family”
Denise
Mariana, Manoel, Chico & Zeca
Cristina & Thomaz
PREFÁCIO
Este texto é baseado nas notas de aulas do curso de pós-graduação Evolução
Qúımica da Galáxia, ministrado junto ao Departamento de Astronomia do
IAG/USP. Não tem a pretensão de ser um curso completo de Evolução Qúımica,
mas apenas uma introdução aos aspectos mais fundamentais e elementares
desta disciplina, em particular em suas aplicações à nossa Galáxia. O obje-
tivo destas notas é servir como um guia introdutório à enorme quantidade
de trabalhos encontrados na literatura e, se posśıvel, despertar o interesse do
leitor para um estudo mais aprofundado da evolução qúımica e dinâmica das
galáxias.
As principais modificações deste texto com relação às notas de aulas
incluem um esforço para discutir em maiores detalhes os fundamentos dos
processos de evolução qúımica, em contraposição a uma discussão dos resulta-
dos mais recentes dos modelos teóricos que tem sido propostos. Desta forma,
o livro tem um enfoque mais orientado para os estudantes iniciantes desta
disciplina, os quais poderão estender e atualizar seus conhecimentos fazendo
uso da vasta bibliografia dispońıvel, parte da qual está relacionada no final
de cada caṕıtulo. O texto inclui ainda listas de exerćıcios, que devem ser
considerados como parte integrante do aprendizado.
Apesar das rigorosas revisões feitas, é inevitável que alguns erros possam
ter permanecido. Quaisquer correções e sugestões serão bem vindas, podendo
ser enviadas ao endereço wjmaciel@usp.br.
São Paulo, Novembro de 2020
W. J. Maciel
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1 A Galáxia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Populações estelares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Formação da Galáxia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Evolução de galáxias: evolução qúımica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5 Abundâncias no Sistema Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Exerćıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
CAPÍTULO 2 – NUCLEOSSÍNTESE PRIMORDIAL
2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Modelos cosmológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 A idade do Universo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 O Big Bang e o modelo cosmológico padrão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 A razão bárions/fótons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Nucleosśıntese primordial: visão geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.7 Produção dos elementos leves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Exerćıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
CAPÍTULO 3 – NUCLEOSSÍNTESE ESTELAR
3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Queima de H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Queima de He . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Yields estelares: Estrelas de massa pequena e intermediária . . . . . 47
3.5 Yields estelares: Estrelas massivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6 Processos de captura de nêutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Exerćıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
CAPÍTULO 4 – NUCLEOSSÍNTESE INTERESTELAR
4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Produção dos elementos leves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3 Raios cósmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4 Origem de Li, Be, B: Reeves et al. (1970) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.5 Resultados mais recentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.6 Elementos leves e metalicidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.7 Outras fontes de elementos leves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Exerćıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
CAPÍTULO 5 – A FUNÇÃO DE MASSA INICIAL
5.1 Propriedades f́ısicas das estrelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Tempos de vida na sequência principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3 Definições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Determinação da IMF local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5 Exemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.6 Variações locais e temporais da IMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Exerćıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
CAPÍTULO 6 – A TAXA DE FORMAÇÃO ESTELAR
6.1 Definições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2 Exemplos simples da SFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3 A SFR local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.4 A SFR local com bursts . . . .