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 . . . .